滚珠丝杠传动装置及其丝杠螺母的制作方法

1.本发明涉及滚珠丝杠传动装置和尤其是滚珠丝杠传动装置的丝杠螺母。


背景技术：

2.通常，以滚珠为滚动体的滚压螺旋传动装置通常称为循环滚珠丝杠或滚珠丝杠传动装置。滚珠丝杠传动装置的主要部件包括带有外螺纹的丝杠和包围丝杠的带有内螺纹的丝杠螺母。丝杠和丝杠螺母的螺纹线被设计为具有合适轮廓的滚珠槽道且彼此互补匹配，使得它们在组装状态下共同形成一个隧道形滚珠通道或滚珠导向机构。与螺纹牙侧面以面彼此滑动的螺栓-螺母连接中不同，在滚珠丝杠传动装置中，在螺纹中的循环滚珠负担在螺母和丝杠之间载荷传递。以面的形式的滑动运动因此被滚动运动取代，随之而来的是摩擦减小。
3.为了获得滚珠用闭合循环路径，使用了滚珠返送机构。它们的任务是使滚珠在第一点在丝杠螺母和丝杠之间的滚珠通道中被顶出，在第二点被返送回。因此，滚珠返送机构是一个旁路，其跨过螺母-丝杠系统的一条或多条螺纹，因此实现用于滚珠丝杠传动装置的滚珠的一个闭合的循环路径。通常，滚珠返送机构由第一滚珠转向机构(离开滚珠通道)、转移通道和第二滚珠转向机构(进入滚珠通道)组成。一般，这些滚珠会径向向外从滚珠通道中被取出并在转移通道(例如通道或管道)内在丝杠螺母之内或之外被引导，然后它们又在为此设定的位置通过第二滚珠返送机构被引导入丝杠和丝杠螺母之间的滚珠通道中。
4.从技术上看，滚珠丝杠传动装置的作用相当于一个交错轴斜齿轮传动装置，它可以将旋转运动转换为纵向运动或反之，其中，减速或加速由丝杠的尺寸设定和螺纹升程确定。滚珠丝杠传动装置原则上可以通过两种方式运行。如果丝杠螺母以位置固定但可旋转的方式安装、而丝杠是不可旋转但可纵向移动的，则一旦螺母被驱动，丝杠就沿其纵轴线移动。在第二种情况下，丝杠以位置固定但可旋转的方式安装，而丝杠螺母可纵向移动且不可旋转地安装。当丝杠被驱动时，这导致丝杠螺母沿丝杠线性运动。
5.滚珠丝杠传动装置被用在许多技术应用、尤其是机械工程并且尤其是机床中。但滚珠丝杠传动装置也越来越多地作为纵向传动装置应用在迄今采用液压系统或气动系统的领域中，例如用在压力机、注塑机和伺服转向系统中。此外，滚珠丝杠传动装置在机电制动系和电动液压制动系中也发挥越来越重要的作用，在这里，滚珠丝杠传动装置被用作液压制动缸的替代品或在制动辅助系统中与已知的制动系并行使用。在那里，它们在电动机驱动下增强增加驾驶员的制动力，或者作为安全系统的一部分启动或支持(紧急)制动过程。因此，也可以在每个车轮上作为制动缸替代品地实现具有滚珠丝杠传动装置的纯电动制动系。
6.在工作中，各种力作用于滚珠。因此视驱动方向和载荷的不同，它们被压在滚珠通道的不同侧面上，因此处于压缩应力。这导致了在滚珠从丝杠和螺母之间的滚珠通道中顶升出的位置处释放压应力。实际上做不到连续安排此卸载过程以便滚珠只是滚动入或滑入滚珠返送机构。相反，或多或少突然卸载或逐步卸载引起的合力将滚珠弹射入滚珠转向机
构或转移通道中。这种行为可能导致滚珠和/或滚转转向机构的过度磨损或产生烦人的工作噪音和/或不希望的振动。这种行为被归总在用于噪声、振动、粗糙度的术语nvh下。尤其是在汽车行业，nvh被视为一个问题，因为它会给用户留下质量差或(初期)缺陷的印象，即使不存在技术问题。
7.在现有技术中知道了各种方法用于改善在滚珠转向时的滚珠卸载。一种方法在于如此设计滚珠转向，即，它以正好沿切向适配于包围的丝杠螺母的滚珠通道的通道或管的形式开始。但，通过丝杠螺母形成为此所需的孔在技术上具有挑战性。
8.de102004025683类似地描述了使丝杠螺母中的滚珠槽道和滚珠入口具有相同横截面轮廓。
9.在文献de os3635212中提出在外侧如此与丝杠螺母的通道相接地设置有返送通道，即，其中心线描绘出特殊的三维空间曲线。
10.de102011076438提议将自螺纹的滚珠入口区域或出口区域加宽。
11.现有技术的所有变型方案的共同点是它们在生产技术方面复杂和/或昂贵。因此，人们需要一种具有滚珠转向机构的丝杠螺母，其就nvh标准而言改善滚珠的卸载并且同时允许合理生产。


技术实现要素：

12.该任务由一种丝杠螺母完成。
13.用于滚珠丝杠传动装置的丝杠螺母包括由金属构成的基本呈空心圆柱形的工件，其具有外轮廓面ma和中心对称的中心纵轴线z。在此并不考虑在丝杠螺母上的附件例如法兰、支架、驱动件。在(空心)圆柱体内表面上有一个类似螺纹布置的滚珠槽道k，其设计用于容纳直径为d的滚珠，在这里，圆柱内表面g由滚珠槽道k的螺旋线形螺纹基线限定。因为具有滚珠槽道的圆柱内表面具有三维表面结构，故考虑将圆柱面g当作用于随后考虑的参考面。
14.如上所述，丝杠螺母中的滚珠槽道k与丝杠螺母的形状互补设计的滚珠槽道一起(在组装状态)形成该滚珠通道。
15.此外，丝杠螺母具有分别成对安置的、直线的且基本呈圆柱形的卸载孔b，它们设计成用于滚珠进出穿过丝杠螺母壁的滚珠通道的入口通道和出口通道。每个卸载孔b都由一条外轮廓线l(mantellinie)表征，其具有与滚珠槽道k的螺纹基线的交点并且表示(从几何形状或技术上考虑的)滚珠从滚珠通道或滚珠槽道k进入卸载孔b的移动路径。为此要注意，外轮廓线l具有至少一开始是直线的走向，从而可以从l与g的交点起在几何形状上清楚限定外轮廓线l的位置，且明确进行随后的表征。
16.具有此处描述的所有设计的卸载孔优选被直接钻入和/或铣削入丝杠螺母中，因此将直接满足输入/排出功能。在技术上等效地，所述几何形状也可以通过由塑料、金属(铸造、3d打印)或类似尺寸稳定材料构成的模制件实现，其被装入丝杠螺母壁的尺寸被相应设定的凹口中。由此将不会减少所述几何形状的优点。也还可以想到，在内侧面上的卸载孔如所述的那样在该壁内实现，但在丝杠螺母的外侧上过渡到模制件中，其例如也能与转移通道成一体地制造。在这里也可以使用塑料、金属或其组合。
17.这些卸载孔在此不应被理解为纯粹的圆柱形孔，而是也可以具有椭圆形或非圆形
的横截面。对于l和与k的交点的确定，这是无关紧要的。
18.如果遵循这些几何形状设定条件，则现在可以限定一条切线t，该切线一方面紧贴圆柱面g并且还以距离a》0与外轮廓线l平行延伸，其中，t和l都垂直于与该中心纵轴线z的同一铅垂线r。
19.在另一实施方式中，t和l都垂直于一个平面e。平面e与丝杠螺母的中心纵轴线z共面，铅垂线r也位于该平面内。换句话说，r和z限定出平面e。
20.两条平行线t和l之间的距离a在滚珠直径d的五分之一与三分之一之间。滚珠直径d被选择作为本发明尺寸的标度或对比，因为由此能与丝杠螺母或螺纹螺旋线的尺寸设定无关地描绘大的适用性。事实证明1/5d《a《1/3d是a的优选关系。尤其优选等于滚珠直径d的25％+/-3％的a值。
21.因此，a》0的值显然意味着，滚珠的运动滚道没有正好沿切向且进而无拐点地延伸入卸载孔b，而是一个规定点c作为k和l之间交点标记出过渡部。卸载孔的方向、准确地说丝杠螺母壁中孔的角度此时对应于圆柱面g上的一个切线t，但径向向内朝向中心纵轴线z地错移该距离a(外轮廓线l)。
22.在此要考虑的是，条件“圆柱面(g)处的切线(t)以距离a》0与外轮廓线(l)平行，其中t和l都垂直于中心纵轴线z的同一铅垂线r”并不自动意味着该孔或其在z上的投影也垂直于中心轴线z。相反，该条件也可以通过一个孔b被满足，该孔例如占据螺纹螺旋线的螺旋角(steigungswinkel)。只有通过附加条件“t和l垂直于由铅垂线r和中心纵轴线z限定的一个平面e”才能确保该孔b或其中心轴线的投影垂直于中心纵轴线z。
23.因此，本发明也能这样描述，特意设置具有规定几何形状的台阶或边缘，当滚珠过渡进入卸载孔时，在该台阶或边缘处，滚珠卸载有效结束。但这是如此形成的或所述过渡是如此选择的，相比于已知设计，nvh条件得到改善。
24.在另一个实施方式中，在滚珠通道或滚珠槽道k中的滚珠的移动路径在k与l的交点c之前的移动长度l上被降低(absenken)，从而滚珠距中心轴线z的径向距离在经过l时增大。对于具有移动长度l的路径部段w适用的是2/5d《l《2/3d。换句话说，滚珠槽道k在上述台阶/边缘c之前的短路径段w上变平或加宽或加深，使得滚珠远离中心纵轴线z。选择阐述“变平或加宽或加深”是为了考虑到滚珠槽道的不同设计。因此，常用的“哥特式拱形”可以作为滚珠槽道横截面通过加宽来修改，从而循环的滚珠增大其相对于丝杠螺母中心纵轴线的位置。根据本发明，这取决于距离变化作用，而与实现这一点的(在技术上有意义且可能的)方法无甚关系。在图2中，这被示出为移动路径的降低，而不意味着这是限制性的。
25.当经过w时，滚珠距中心轴线的径向距离t优选增加了滚珠直径d的1/33至1/25。在制造技术方面，滚珠槽道的这种改变可以通过铣削加工或通过电化学去除来获得。此外，在利用电化学去除的情况下可以在具有多个卸载孔b的一个丝杠螺母上获得更大的移动路程降低。
26.从技术角度来看，从滚珠槽道k到点c的具有移动长度l的过渡区域w属于丝杠螺母内螺纹的螺旋线而不是卸载孔b。本发明的其中一个优点就在于此，因为借此作为丝杠螺母的配对件的丝杠也在过渡部w中不变化地可供使用，并且仅通过丝杠螺母的一个小的附加加工步骤就获得在该部分w中的滚珠卸载。
27.在所有这些设定条件中，交点c总是指所造成的k和l的交点；在丝杠螺母的加工完
成状态中。点c将在此外相同的丝杠螺母情况下位于一个不同的点，取决于是否实现滚珠在滚珠槽道k中的移动路径降低以及在何种长度上降低。但对于本领域技术人员来说，这在所述设计中不成问题，他通常会选择c点、确定距离t并从该处设计移动路径l的降低。
28.如开头所述，总有两个卸载孔b作为输入通道和输出通道连同设于两者间的转移通道形成滚珠返送机构。如果在说明书或附图中使用、描述或示出单数，则应将其理解为例举而非缺乏。
29.在制造技术方面已被证明有利的是，以彼此平行对准方向的方式制造两个卸载孔b。这意味着，无论滚珠丝杠传动装置的旋转方向如何，对于滚珠来说总是在卸载时或在引入滚珠通道中时存在相同的条件。此外，可以在一个夹具中实现钻削或铣削加工。
30.本发明所提出的结构设计和措施允许放弃要复杂铣削的过渡部或曲线走向。考虑到制造公差和nvh问题，比完美沿切向转向或复杂的过渡和半径更好地控制从滚珠槽道到卸载孔的计算过渡(拐点、台阶)的限定。
31.在本发明的意义上，滚珠丝杠传动装置在基本构造中如迄今所述地包括丝杠和丝杠螺母并且在图中被举例示出。丝杠至少部分同轴地被丝杠螺母包围(丝杠长度通常大于丝杠螺母)。大量滚珠在螺旋形滚珠运动轨迹中在丝杠和丝杠螺母之间的空隙中运行。带有布置在丝杠螺母的外轮廓面之中或之上的转移通道的滚珠转向机构造成闭合滚珠循环。滚珠丝杠传动装置可以有一个或多个带有独立滚珠循环的滚珠转向机构。
32.在一个实施例中实现了一种丝杠螺母，其滚珠槽道针对d＝2.4毫米的滚珠来设计。滚珠槽道半径约为7.5毫米。在1.2毫米移动路径l上实现t＝0.08毫米的降低。距离a约为0.56毫米。
附图说明
33.图1示出丝杠螺母的功能横截面连同关于几何形状的细节，
34.图2详细示出滚珠通道的卸载部段，和
35.图3示出具有两对卸载孔和各自位于其间的连接通道的丝杠螺母的俯视图。
具体实施方式
36.图1示出呈具有外表面ma的简单的空心圆柱体形式的示意性丝杠螺母s的横截面。中心纵轴线z完全位于一个平面e中，该平面合乎逻辑地在纵轴线z的一半处与丝杠螺母s相交。滚珠槽道k的螺旋线在空心圆柱体的内表面处被标记。该螺纹的基线限定(圆柱)表面g。丝杠螺母s的壁被一个卸载孔b穿透。代表卸载孔b的外轮廓线l(点-点-划线)由与k的交点确定。因此在技术上该孔被设计成其简单地说沿l延续b中的滚珠槽道k(虚线)。在此所示的例子可以看清外轮廓线l垂直于平面e。切线t(虚线)贴于g并以距离a平行延伸。t也垂直于e。还示出从t到z的铅垂线r的姿态，l也与之垂直。
37.未被示出的是t和l垂直于r但不垂直于e的变型。这意味着，该卸载孔将与垂直于平面的直角有一定的倾斜或偏差。在任何情况下都获得“t和l垂直于r”的关系。也标记出作为t和l之间距离的距离a。
38.图2示出滚珠从滚珠槽道k退出连同作为本发明实施方式所实现的长度l的移动路径w的降低的局部放大图。如果看向右侧来的滚珠(图中)的移动路径，则它将被受力引导入
滚珠槽道k中，直到它从用a标记的点过渡到降低的移动路径w中。在路径w的末端，在c处，滚珠转入卸载孔b并沿着移动路径l运动，该移动路径与w一样也是在丝杠螺母s的壁中形成的。在图2中，为了说明也插入所述点c'，其标记l与未降低的滚珠槽道k的(虚拟)交点，即没有局部w。
39.如从以上说明中得知地，降低的路径部w相对短。因此，从nvh和制造成本角度看，关于w的曲率被证明相对不重要。w可被设计为简单直线、具有恒定半径或可变半径的曲线。根据设计的不同，这可能造成滚珠从k经由w移动向l具有至少一个拐点或台阶(至少在c处)，视也在a处的从k到w的过渡设计的不同。
40.相应注意到切线t(虚线)以距离a距l(点-点-划线)和垂直于中心纵轴线z的铅垂线r。
41.图3示出具有在此所述类型的两个滚珠转向机构的丝杠螺母s的俯视图。两对卸载孔b
11
和b
12
以及b
21
和b
22
开设到丝杠螺母s的外壳套中，它们用作出口通道和入口通道的。b
11
和b
12
通过过渡通道v1连接，而b
21
和b
22
通过v2连接。在图3中，过渡通道v被设计成在丝杠螺母壳套中的铣槽。该图清楚表明这些卸载孔b全都平行延伸。