Spindelmutter

[0001] Die Erfindung betrifft eine Spindelmutter gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, und die Verwendung einer solchen Spindelmutter in einer motorisierten Stellvorrichtung gemäß Anspruch 7.

[0002] Aus der DE 10 2012 110 986 A1 ist eine Gewindeanordnung bekannt, bei welcher eine Spindel bzw. eine Schraube ein unterbrochenes, nicht durchgehendes Außengewinde aufweist und somit nur abschnittsweise entlang des Umfangs vorspringende Gewindeabschnitte vorhanden sind. Die korrespondierende Mutter ist entsprechend komplementär ausgebildet und weist ein durch Längsnuten unterbrochenes Innengewinde auf, wobei die Anzahl der Längsnuten der Mutter der Anzahl von vorspringen

Gewindeabschnitten der Spindel entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, die Schraube weit in die Mutter hineinzuschieben bzw. durch diese hindurchzuschieben, wenn die vorspringenden Gewindeabschnitte der Schraube gegenüber den nutförmigen Ausnehmungen der Mutter so positioniert werden, dass eine gegenseitige Überdeckung resultiert. Nach Einschieben der Schraube in die Mutter reicht dann bereits eine geringe Drehung der Schraube aus, um einen Gewindeeingriff über die gesamte Länge der Mutter in Axialrichtung zu erzielen, so dass auf sehr schnelle Weise eine sichere Schraubverbindung resultiert. Ziel der

Gewindeanordnung der DE 10 2012 110 986 A1 ist also in erster Linie eine deutlich reduzierte Montagezeit zum Herstellen eines

Gewindeeingriffs, etwa zwischen einer Spindel und einer Spindelmutter.

[0003] In ähnlicher Weise sind aus dem allgemeinen Stand der Technik

Verschlüsse von Geschützen bekannt, bei welchen ein in dem

Geschützgehäuse angeordnetes Innengewinde durch nutförmige und sich entlang der Längsrichtung des Geschützgehäuses erstreckende

Ausnehmungen unterbrochen ist, so dass das Innengewinde in mehrere Innengewindesegmente unterteilt ist, und bei dem ein in das

Geschützgehäuse einzubringendes und dieses abzudichtende Verschlusselement eine komplementäre Form mit entsprechenden Außengewindesegmenten aufweist.

[0004] Zum Schließen bzw. Abdichten des Geschützgehäuses für das Abfeuern eines Geschosses kann das Verschlussteil sehr schnell in das

Geschützgehäuse eingeschoben werden, indem dessen

Außengewindesegmente in den Bereichen der Ausnehmungen des Innengewindes des Geschützgehäuses angeordnet sind bzw. zu liegen kommen, so dass eine axiale Verschiebung des Verschlussteils in dem Geschützgehäuse ohne eine relative Rotationsbewegung zwischen dem Verschlussteil und dem Geschützgehäuse - wie üblicherweise beim Eindrehen einer Schraube in ein Gewinde - ermöglicht ist.

[0005] Durch anschließendes, lediglich geringfügiges Verdrehen des in das

Geschützgehäuse eingeschobenen Verschlussteils gelangen die stehengebliebenen Gewindeabschnitte der Außengewindesegmente mit den Gewindeabschnitten der Innengewindesegmente in Eingriff, wodurch insgesamt eine schnelle Fixierung des Verschlussteils resultiert, die dem beim Abfeuern des Geschosses entstehenden enormen Druck innerhalb des Geschützgehäuses, der insbesondere in axialer Richtung wirkt und somit das Verschlussteil aus dem Geschützgehäuse zu treiben versucht, widersteht.

[0006] Aus der DE 10 2015 214 824 A1 ist ein Spindelantrieb bekannt, bei

welchem entweder die Spindel, oder die Spindelmutter wenigstens eine Längsnut aufweist, die als Depot zur Aufnahme eines Schmierstoffes dient.

[0007] Die Anmelderin hat überraschenderweise erkannt, dass bei einem Eingriff des Gewindes einer Spindel mit dem Gewinde einer Spindelmutter, wobei die Spindel selbst ein durchgehendes Gewinde bzw. Vollgewinde und die Spindelmutter ein dreifach unterbrochenes bzw. unterteiltes Gewinde aufweist, eine erhöhte Positionsstabilität der Spindel gegenüber an dieser angreifenden Querkräfte resultiert. Zudem hat die Anmelderin erkannt, dass insbesondere die Verwendung einer erfindungsgemäßen

Spindelmutter bei einer Verstellvorrichtung, bevorzugt bei einer

Präzisionsverstellvorrichtung, bei weicher eine an sich bekannte Spindel einen rotativen Antrieb erfährt, deutliche Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Wiederholbarkeit des gewünschten Stellwegs bringt. Mit Präzisionsverstellvorrichtung sind hierbei Verstellvorrichtungen gemeint, bei welchen ein einzelner kommandierter Schritt eine Schrittgröße der Spindel oder der Spindelmutter bzw. des durch die Verstellvorrichtung angetriebenen oder bewegten Elements kleiner als 50nm, und besonders bevorzugt zwischen 10 und 30nm aufweist.

[0008] Anspruch 1 beschreibt eine erfindungsgemäße Spindelmutter, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Weiterbildungen beschreiben.

[0009] Der im gesamten nachfolgenden Teil der Beschreibung verwendete Begriff ,im Wesentlichen im Zusammenhang mit der Angabe von geometrischen Daten wie Winkeln, Dimensionen, Lagen, Orientierungen oder Richtungen ist so zu verstehen, dass die entsprechenden geometrischen Daten eine Abweichung von +/- 5% gegenüber dem jeweils angegebenen

geometrischen Datum haben können, wobei diese Abweichung

beispielsweise auf Fertigungs- oder Montagetoleranzen zurückzuführen ist.

[0010] Die erfindungsgemäße Spindelmutter, die mit einer korrespondierenden Spindel in Eingriff gebracht werden kann oder mit dieser in Eingriff ist, weist ein Innengewinde auf, welches durch drei bezüglich des Umfangs gleich voneinander beabstandeten Längsnuten, die in einer zu einer zentralen Gewindeachse A der Spindelmutter parallelen Richtung verlaufen, unterbrochen bzw. unterteilt ist. Dadurch sind in der

Spindelmutter drei voneinander beabstandete Innengewindesegmente gebildet. Bei vorhandenem Eingriff der Spindelmutter mit der Spindel ist das Außengewinde der Spindel ausschließlich mit den

Innengewindesegmenten in Kontakt, wobei die Spindelmutter hinsichtlich eines senkrecht zu ihrer zentralen Gewindeachse A angeordneten

Querschnitts eine Querschnittsgeometrie mit einer inneren, der zentralen Gewindeachse zugewandten Querschnittskurve K aufweist. Zumindest die Innengewindesegmente bilden jeweils einen teilkreisförmigen Abschnitt dieser Querschnittskurve K, wobei der Durchmesser jedes teilkreisförmigen Abschnitts dem Kerndurchmesser des Innengewindes entspricht.

[0011] Mittels eines Übergangsabschnitts der Querschnittskurve K sind jeweils ein teilkreisförmiger Abschnitt und ein benachbarter, durch die Längsnuten gebildeter Längsnutenabschnitt der Querschnittskurve K miteinander verbunden. Ein Abstand a zwischen den beiden an einen gleichen

Längsnutenabschnitt angrenzenden Übergangsabschnitten ist dabei kleiner als ein Abstand b zwischen den beiden an einen gleichen teilkreisförmigen Abschnitt angrenzenden Übergangsabschnitten.

[0012] Die erfindungsgemäße Spindelmutter geht das Problem an, dass

zwischen Spindelmutter und Spindel generell ein Radialspiel von wenigen Mikrometern vorhanden ist. Insbesondere bei Verwendung einer herkömmlichen Spindelmutter in einer hochpräzisen Stellvorrichtung kann jedoch selbst ein sehr geringes Radialspiel störend sein.

[0013] Wenn Spindelmutter und Spindel gegeneinander verdreht werden oder sich die Last an der Spindel ändert, verschieben sich Spindel und

Spindelmutter relativ zueinander. Das geschieht hauptsächlich in der Ebene senkrecht zur Gewindeachse, jedoch ergibt sich in der Regel auch eine axiale Verschiebung entlang der Gewindeachse. Diese parasitären Bewegungen finden dann ein Ende, wenn die auf die Spindel und/oder die Spindelmutter einwirkenden Kräfte nicht mehr ausreichen, die Reibung an drei Berührpunkten bzw. Berührbereichen zwischen Spindel und

Spindelmutter zu überwinden. Es handelt sich deshalb um drei

Berührpunkte bzw. Berührbereiche, weil drei Punkte bzw. Bereiche, die kein Moment aufnehmen können, notwendig sind, um ein Objekt im Raum zu fixieren.

[0014] Ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spindelmutter wandern die drei Berührpunkte bzw. Berührbereiche last- und bewegungsabhängig kontinuierlich entlang des gesamten Gewindebereichs.

[0015] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spindelmutter mit der dreifachen Teilung bzw. Unterbrechung ihres Innengewindes können die Berührpunkte bzw. Berührbereiche nicht mehr kontinuierlich wandern, sondern sind an diskrete Bereiche gebunden. Dadurch verbessert sich die Positionsstabilität einer Stellvorrichtung mit solch einer Spindelmutter insbesondere bei kleinen Lastschwankungen, und die

Positionswiederholbarkeit einer entsprechenden Stellvorrichtung wird erheblich gesteigert.

[0016] Es kann von Vorteil sein, dass jeder Übergangsabschnitt einer

Unstetigkeitsstelle der inneren Querschnittskurve K entspricht.

[0017] Es kann auch von Vorteil sein, dass eine Linie, die tangential an einem Längsnutenabschnitt im Bereich eines Übergangsabschnitts der inneren Querschnittskurve K anliegt, und eine Linie, die tangential an einem demselben Längsnutenabschnitt unmittelbar benachbarten

teilkreisförmigen Abschnitt im Bereich desselben Übergangsabschnitts der inneren Querschnittskurve K anliegt, einen Winkel a zwischen sich einschließen, weicher zwischen 100° und 170°, und bevorzugt zwischen 130° und 160° einschließt.

[0018] Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass jeder der Längsnutenabschnitte der inneren Querschnittskurve K einen Teilkreis beschreibt, wobei jeder Teilkreis den gleichen Durchmesser aufweist, und das Verhältnis des Durchmessers jedes Teilkreises zum Kerndurchmesser zwischen 0,5 und 0,1 , und bevorzugt 0,25 beträgt.

[0019] Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Fläche der Überdeckung

zwischen der Spindel und den Innengewindesegmenten größer ist als die Fläche der Überdeckung zwischen der Spindel und den Längsnuten der Spindelmutter.

[0020] Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung der vorstehend

beschriebenen Spindelmutter in einer motorisierten Stellvorrichtung, vorzugsweise in einer hochpräzisen motorisierten Stellvorrichtung mit Schrittgrößen kleiner 50nm, und besonders bevorzugt mit Schrittgrößen zwischen 10 und 30nm.

[0021] Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.

[0022] Es zeigen:

[0023] Figur 1 : perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Spindelmutter in Eingriff mit einer korrespondierenden Spindel befindlich [0024] Figur 2: Querschnittsdarstellung bezüglich der Anordnung Spindelmutter- Spindel gemäß Figur 1

[0025] Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Drahtmodell einer

erfindungsgemäßen Spindelmutter 1 , die sich in Eingriff mit einer korrespondierenden Spindel 2 befindet, wobei die Spindel 2 an einem ihrer beiden distalen Enden kugelförmig bzw. teilkugelförmig ausgebildet ist (in Figur 1 das auf der linken Seite befindliche distale Ende der Spindel 2).

[0026] Die Spindelmutter 1 weist eine zentrale Gewindeachse A auf, die mit einer zentralen Gewindeachse der Spindel zusammenfällt. Die Spindel 2 hat ein durchgängiges und ununterbrochenes Außengewinde 4, während die Spindelmutter ein durch drei bezüglich des Umfangs der Spindelmutter jeweils gleich zueinander beabstandeter Längsnuten 5 unterbrochenes Innengewinde 3 aufweist. Die Längsnuten 5 erstrecken sich dabei in der Längsrichtung der Spindelmutter 1 , und zwar im Wesentlichen parallel zur zentralen Gewindeachse 1.

[0027] Die Längsnuten 5 haben im Querschnitt betrachtet eine teilkreisförmige Geometrie. Im Bereich der Längsnuten 5 besteht kein Eingriff des

Außengewindes der Spindel 2 mit der Spindelmutter 1 , während ansonsten Eingriff zwischen dem Außengewinde 4 der Spindel 2 und dem Innengewinde 3 der Spindelmutter 1 besteht. Die Fläche der Überdeckung zwischen der Spindel 1 und den Innengewindesegmenten 31 , 32, 33 ist hierbei größer ist als die Fläche der Überdeckung zwischen der Spindel 1 und den Längsnuten 5 der Spindelmutter 2.

[0028] Figur 2 zeigt einen hinsichtlich der zentralen Gewindeachse A senkrecht angeordneten Querschnitt bezüglich der Eingriffsanordnung der erfindungsgemäßen Spindelmutter 1 mit einer Spindel 2 gemäß Figur 1. Anhand von Figur 2 ist gegenüber Figur 1 deutlicher zu erkennen, dass das Innengewinde 3 der Spindelmutter 1 drei über den Umfang der Spindelmutter gleich verteilte und durch die Längsnuten 5 gebildete Ausnehmungen aufweist. Durch die Längsnuten 5 erfährt das

Innengewinde 3 der Spindelmutter 1 Unterbrechungen, wodurch drei bezüglich des Umfangs voneinander beabstandete und getrennte Innengewindesegmente 31 , 32, 33 entstehen. Das ununterbrochene bzw. durchgehende Außengewinde 4 der Spindel 2 befindet sich ausschließlich mit den Innengewindesegmenten 31 , 32, 33 der Spindelmutter 1 in

Eingriff, während im Bereich der Längsnuten 5 durch das dort fehlende Innengewinde der Spindelmutter kein Eingriff besteht bzw. möglich ist.

[0029] Bezüglich des in Figur 2 dargestellten, senkrecht zu ihrer zentralen

Gewindeachse A angeordneten Querschnitts besitzt die Spindelmutter 1 eine Querschnittsgeometrie mit einer inneren, der zentralen

Gewindeachse zugewandten Querschnittskurve K, wobei zumindest die Innengewindesegmente 31 , 32, 33 jeweils einen teilkreisförmigen

Abschnitt 310, 320, 330 der Querschnittskurve K bilden. Hierbei entspricht der Durchmesser jedes teilkreisförmigen Abschnitts 310, 320, 330 dem Kerndurchmesser des Innengewindes 3, wobei die teilkreisförmigen Abschnitte 310, 320, 330 der Querschnittskurve K über

Übergangsabschnitte 6 mit durch die Längsnuten 5 gebildeten

Längsnutenabschnitte 51 , 52, 53 der Querschnittskurve K verbunden sind. Die Längsnutenabschnitte 51 , 52, 53 der inneren Querschnittskurve K beschreiben jeweils einen Teilkreis mit identischem Durchmesser.

[0030] Jeder der Übergangsabschnitte 6 stellt eine Unstetigkeitsstelle der inneren Querschnittskurve K, d.h. die Querschnittskurve weist an den

Übergangsabschnitten 6 eine Kante auf. Ein Abstand a zwischen beiden an den gleichen Längsnutenabschnitt 51 , 52, 53 angrenzenden

Übergangsabschnitten 6 ist kleiner als ein Abstand b zwischen beiden an den gleichen teilkreisförmigen Abschnitt 310, 320, 330 angrenzenden Übergangsabschnitten 6.

[0031] In Figur 2 sind im Bereich eines Übergangsabschnitts 6 zwei Linien

eingezeichnet, wobei jede Linie eine Verlängerung in tangentialer

Richtung des an den Übergangsabschnitt 6 angrenzenden

Längsnutenabschnitts 52 bzw. teilkreisförmigen Abschnitts 320 darstellt, und die entsprechenden beiden Linien einen Winkel a zwischen sich einschließen. Mit anderen Worten schließen eine Linie, die tangential an dem Längsnutenabschnitt 52 im Bereich des entsprechenden

Übergangsabschnitts 6 der inneren Querschnittskurve K anliegt, und eine Linie, die tangential an einem demselben Längsnutenabschnitt 52 unmittelbar benachbarten teilkreisförmigen Abschnitt 320 im Bereich desselben Übergangsabschnitts 6 der inneren Querschnittskurve K anliegt, einen Winkel a zwischen sich ein. Dieser Winkel a beträgt zwischen 100° und 170°, und bevorzugt zwischen 130° und 160°.

[0032] Im Folgenden wird die Funktion bzw. Wirkweise der erfindungsgemäßen Spindelmutter beschrieben.

[0033] Bei einem Eingriff des Außengewindes einer Spindel mit dem

Innengewinde einer korrespondierenden Spindelmutter ist es praktisch unvermeidbar, dass ein gewisses Spiel vorhanden ist. Bei einer

Verspannung von Spindel und Spindelmutter in axialer Richtung resultieren daher lokal unterschiedlich hohe Druckspannungen an den sich kontaktierenden Gewindeflanken. Trotz dieser Druckspannungen unter axialer Vorspannung reichen bereits geringe Kräfte senkrecht zur Axialrichtung aus, dass sich die Spindel und die Spindelmutter aufgrund des unvermeidlichen Spiels zwischen Spindel und Spindelmutter relativ zueinander bewegen. Bei den entsprechenden geringen

Relativbewegungen wandern bzw. verlagern sich die Bereiche höherer Druckbelastung über den gesamten Gewindeumfang auf im Wesentlichen stetigen Bahnen.

[0034] Bei der erfindungsgemäßen Spindelmutter mit ihrem durch drei

Längsnuten unterbrochenen Innengewinde sind die vorstehend erwähnten stetigen Bahnen unterbrochen, wodurch sich die Bereiche mit höherer Druckbelastung nicht mehr stetig verlagern können, und die Bereiche mit geringer oder sogar fehlender lokaler Druckbelastung innerhalb der Gewindeunterbrechungen lokalisiert sind. Ein Wandern bzw. eine

Verlagerung der Bereiche höherer Druckbelastung durch seitlich bzw. senkrecht zur Axialrichtung wirkende Kräfte ist wirkungsvoll reduziert bzw. sogar vollständig unterbunden. Somit resultiert insgesamt eine sehr hohe Positionsstabilität der Anordnung Spindel-Spindelmutter gegenüber Querkräften.

[0035] Aber nicht nur statisch resultiert durch das Vorsehen von entsprechenden Längsnuten in dem Innengewinde der erfindungsgemäßen Spindelmutter ein technischer Vorteil, sondern auch bei dynamischen Lastfällen, etwa bei der Verwendung einer Spindel-Spindelmutter-Kombination für

Verstellvorrichtungen bzw. bei Positionieranwendungen.

[0036] Wie bereits weiter oben erwähnt, existiert technisch bedingt immer ein gewisser geometrischer Unterschied zwischen dem Umfang einer

Spindelober- oder außenfläche und dem Umfang der korrespondierenden Innenfläche einer zugehörigen Spindelmutter. Konkret ist der Umfang der Spindelaußenfläche geringfügig kleiner als der Umfang der

Spindelmutterinnenfläche. Wie ebenfalls weiter oben bereits beschrieben, bilden sich unter einer Vorspannung in axialer Richtung im

Gewindeeingriffsbereich Druckspannungen aus, die sich lokal und insbesondere über den Umfang betrachtet z.T. deutlich voneinander unterscheiden.

[0037] Wird nun bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Spindel- Spindelmutter-Kombination mit jeweils ununterbrochenem bzw.

durchgehendem Gewinde die Spindel zum Zwecke einer

Positionierung/Verstellung gedreht, wandern bzw. verlagern sich die Bereiche mit lokal unterschiedlichen Druckspannungen auf stetigen Bahnen über den gesamten Gewindeumfang. Es resultiert eine parasitäre Bewegung, bei welcher der äußere Spindelumfang gegen den inneren Umfang der Spindelmutter abläuft, und es kommt zu einer Rotation der Spindelachse um die Achse der Spindelmutter auf einer kreisähnlichen Bahn, deren maximaler Bahndurchmesser der Differenz von

Spindelmutterinnendurchmesser und Spindelaußendurchmesser entspricht. Aufgrund dieser parasitären Bewegung sinkt die

Wiederholgenauigkeit eines axialen Verstellwegs im Verhältnis zu dem kommandierten Drehwinkel.

[0038] Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Spindelmutter mit drei

Gewindeunterbrechungen zusammen mit einer konventionellen Spindel mit durchgehendem Gewinde sind die stetigen Bahnen, auf welchen sich bei der aus dem Stand der Technik bekannten Spindel-Spindelmutter- Kombination die Bereiche mit lokal unterschiedlichen Druckspannungen verlagern können, unterbrochen, so dass eine stetige Verlagerung der Druckspannungen nicht mehr möglich ist, und wobei die Bereiche mit geringer oder gar fehlender lokaler Druckspannung auf die drei

Gewindeunterbrechungen der Spindelmutter lokalisiert sind. Dadurch wird insbesondere die Ausbildung einer resonanten Schwingung bezüglich der zuvor beschriebenen parasitären Bewegung unterbunden, denn die notwendigen Bedingungen zum Anschwingen einer Resonanz sind zwischen den durchgehenden und unterbrochenen Gewindebereichen zu verschieden. Somit sorgt die erfindungsgemäße Spindelmutter auch bei dynamischen Lastfällen - insbesondere bei der Verwendung einer entsprechenden Spindel-Spindelmutter-Kombination für

Verstellvorrichtungen - für eine wesentlich verbesserte

Wiederholgenauigkeit des axialen Stellwegs im Verhältnis zu einem kommandierten Drehwinkel.

[0039] Bezugszeichenliste

1 Spindelmutter

2 Spindel

3 Innengewinde (der Spindelmutter)

4 Außengewinde (der Spindel)

5 Längsnut (der Spindelmutter)

6 Übergangsabschnitt

31 , 32, 33 Innengewindesegmente (der Spindelmutter)

51 , 52, 53 Längsnutenabschnitte (der Querschnittskurve K) 310, 320, 330 teilkreisförmige Abschnitte (der Querschnittskurve K)