Brevet FR2468028A1 — publié le 19810430

Dispositif de guidage linéaire à billes. La présente invention se rapporte à un dispositif de guidage destiné à guider le mouvement linéaire d'un élément de machine et elle concerne plus particulièrement un perfectionnement apporté à un dispositif de guidage linéaire à billes dans lequel on dimi- nue la résistance opposée au mouvement en utilisant un frottement de rou- lement, c'est-à-dire dans lequel on conserve encore les caractéristiques d'un roulement bien que la cage de retenue habituelle soit éliminée par la formation de dégagements dans la surface de glissière, par exemple dans le banc ou le chariot d'une machine industrielle, dans un corps prin- cipal de roulement capable de supporter un coulisseau et de décrire un mouvement alternatif, et dans les gorges formant cheminsderoulement du banc à glissières, respectivement. Etant donné qu'un type classique de disposi- tif de guidage linéaire est un manchon à billes, il peut supporter une charge verticale mais n'est que partiellement capable de supporter les couples ou les forces ascendantes. Pour tenir compte de ce fait, le demandeur a mis au point un dispositif de guidage linéaire à billes destiné à sur- monter les inconvénients précités en disposant les rangées de billes à droite et à gauche du corps principal et en fixant aux surfaces extrêmes du corps Principal des chapeaux latéraux qui présentent des gorges en forme de U destinées à assurer le changement de direction des billes et qui correspondent auxdites rangées de billes. En l'absence de ce perfectionnement, dans le cas d'un dispositif de guidage linéaire à billes, on devrait réaliser une cage de retenue de longueur correspondant à la longueur variable du corps principal, ce qui se traduirait par des difficultés qu'on éprouve- rait pour réduire le coût de fabrication de ce type-de dispositif de gui- dage linéaire à billes, en raison de la grande diversité des catégories et du petit volume des séries de fabrications. Par ailleurs, pour interposer la cage de retenue, comme représenté sur la Fig. 12, on devrait réduire la largeur des gorges formant chemins de roulement du corps principal 10' et de la table 13' qui sont destinées à recevoir les billes chargées 67'. -2- L'invention a pour objet un dispositif de guidage linéaire à billes, caractérisé en ce qu'il comprend des billes équipant un corps principal dont les surfaces extrêmes avant et arrière sont munies de chapeaux d'extrémité et dans la cavité cylindrique duquel sont ménagées axialement quatre gorges formant chemins de roulement con- caves, possédant sensiblement le même rayon de courbure que lesdites billes, des dégagements étant formés parallèlement à la verticale dans les gorges supérieures droite et gauche, tandis que des dégagements inclinés de 30 par rapport à la verticale, sont formés dans les gorges inférieures droite et gauche, des saillies annulaires étant ménagées à côté des bords desdi-te gorges, sur les deux surfaces extrêmes du corps principal et des -passagesd XeJ4lles non chargées ménagés à côté de la circonférence extérieure desdites saillies annulaires de manière à tra- verser longitudinalement le corps principal, les chapeaux latéraux desti- nés à être montés sur les surfaces extrêmes du corps principal présen- tant des parties annulaires concaves venues de matière et épousant les saillies annulaires du corps principal ainsi que des parties concaves en U de changement de direction des billes qui recoupent ces parties et audessous desquelles sont prévues des languettes de guidage des billes, la glissière présentant des gorges de roulement concaves qui correspon- dent aux gorges de roulement du corps principal et sont munies, pour les gorges de roulement concaves inférieures droite et gauche de la glissière de dégagements parallèles à la verticale et tangents à ces gorges. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de guidage linéaire à billes qui, non seulement, ne présente pas de mauvaises propriétés de portée, bien que la cage de retenue soit éliminée, c'est-à-dire que l'on conserve un contact ponctuel dans des positions spécifiées en formant des dégagements dans le corps principal et dans les gorges de la glissière, pour obtenir la forma- tion de plans d'inclinaison des points de contact parallèles sur les deux billes chargées opposées, aucune charge d'arête (que l'on peut appeler une charge polaire d'arête) ne sera appliquée aux gorges formant chemins de roulement et, par ailleurs, il devient possible d'appliquer ule pré- contrainte de pression aux billes chargées contenues dans les quatre gorges. -3- Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif de guidage linéaire à billes dans lequel les chapeaux laté- raux qui doivent être fixés aux deux surfaces extrêmes du corps principal (et que l'on peut appeler des plaques de retour des billes) présentent des gorges concaves de forme annulaire qui correspondent aux saillies de forme annulaire formées sur les surfaces extrêmes du corps principal des gorges de guidage semi-circulaires correspon- dant aux quatre gorges du corps principal de roulement et des languettes qui se prolongent jusqu'au niveau de la glissière. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif de guidage linéaire à billes dans lequel on puisse conserver au corps principal une pente d'inclinaison des points de con- tact ou pente de contact désirée et également appliquer une précontrainte (une pression prédéterminée) par un mode de fabrication dans lequel on forme une cavité circulaire dans un élément à section rectangulaire, on forme dans cette cavité quatre gorges longitudinales parallèles formant chemins de roulement, espacées de l'arc désiré sur une même circonférence et on forme des dégagements dans les positions désirées desdites gorges formant chemins de roulement de billes, même si l'on observe certaines erreurs-dans la disposition (repérage ou centrage) entre les gorges for- mant chemins de roulement du corps principal et les gorges de la glissière. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple: - la Fig. 1 est une vue en perspective du corps principal d'un dispositif de guidage linéaire à billes suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue en élévation de côté d'un dispositif de guidage linéaire à billes suivant l'invention, dont une partie est supposée arrachée; - la Fig. 3 est une vue en élévation avant prise suivant une ligne B-B de la Fig. 2 et montrant l'état dans lequel une glissière est mise en place ou équipée de billes; - la Fig. 4 est une vue en élévation avant d'un dispositif de guidage linéaire à billes suivant l'invention; -4 - - la Fig. 5 est une coupe prise suivant une ligne O-X de la Fig. 4; - la Fig. 6 est une vue à plus grande échelle destinée à montrer les conditions de contact entre le corps principal. et des billes chargées logées dans les gorges d'une glissière; - la Fig. 7 est une vue en élévation de côté du corps principal; - la Fig. 8 est une vue en élévation de face du corps principal; - la Fig. 9 (a) est une vue en élévation de face d'un chapeau latéral; - la Fig. 9 (b) est une vue en élévation de côté du chapeau latéral; - la Fig. 10 est une vue en élévation de face d'une glissière; - les Fig. 11 (a) et (b) montrent les rela- tions de réaction de certaines billes chargées situées dans les gorges formant chemins de roulement de la glissière; - la Fig. 12 est une vue à plus grande éthelle servant à illustrer un état de contact bien connu établi entre le corps principal d'un dispositif de guidage linéaire à billes muni d'une cage et les gorges formant chemins de roulement formées dans une glissière. On décrira maintenant une forme préférée de réalisation de l'invention en se référant aux dessins'. La référence 10 désigne le corps principal du dispositif de guidage linéaire à billes. Le corps principal 10 est composé d'une pièce d'acier de forme rectangu- laire, usinée de manière à présenter en section la forme générale d'un U par un usinage plan d'ébauchage ou réalisé de manière à former une cavité intérieure longitudinale cylindrique 11 sensiblement au centre de la pièce, une surface plane 71 est formée sur la surface supérieure de la circonfé- rence intérieure de la cavité intérieure 11 et des gorges concaves 12, 13, 14 et 15, possédant à peu près le même rayon de courbure que les billes sont creusées radialement dans la surface circonférentielle interne de la cavité intérieure 11. -5 - Les gorges supérieures gauche et droite, 12 et 13 respectivement, de jeu de gorges formant chemins de roulement 12 à 15, sont formées de manière à être orientées à 450 par rapport à l'horizontale X-X passant par le centre 0 du corps principal 10 par lequel passent les charges desbilles,et les gorges infé- rieures droite et gauche, 14 et 15, sont formées de telle manière que les billes chargées soient disposées symétriquement sur des rayons in- clinés de 150 sur l'horizontale X-X. La pente de contact des billes chargées supérieures par rapport au roulement est de 300, cette pente étant l'angle formé entre la ligne qui joint le point de contact entre la bille et la glissière 16 au point de contact entre la bille et le corps principal 10 et le plan passant par l'axe 2' tandis que la pente de contact des billes chargées latérales (billes inférieures) est de 30 sur le plan passant par l'axe 2' Les références 17 et 18 désignent des évi- dements qui sont formés en taillant longitudinalement les parties laté- rales extérieures des gorges formant chemins de roulement 12 et 13 du corps principal 10 suivant des plans parallèles à la verticale Y-Y. Les références 19 et 20 désignent également des évidements qui sont formés en taillant longitudinalement les parties latérales supérieures des gorges inférieures 14 et 15 du corps principal avec une pente de 30 par rapport à la verticale Y-Y. Les références 21 et 22 désignent des saillies annulaires destinées à renvoyer et guider les billes, qui sont formées sur les deux surfaces extrêmes 23 et 24 du corps principal 10. Les références 25, 26, 27 et 28 désignent des passages de billes non chargées formés longitudinalement en partant de la surface extrême 23 du corps principal 10, les passages supérieurs droite et gauche de billes non chargées sont situés sur des - rayons issus du centre 1 du corps principal et inclinés de 450 sur l'horizontale X-X et sont en outre placés aux points d'intersec- tion avec le bord circonférentiel extérieur des saillies annulaires 21 et 22. les passages inférieurs droite et gauche des billes non chargées sont situés sur des rayons issus du centre 0 du corps principal 10 et inclinés de 150 par rapport à l'horizontale X-X et sont situés aux points d'intersection avec le bord circonférentiel extérieur des sail- lies annulaires 21 et 22. -6- Par ailleurs, des faces d'ouverture 29 et sont formées longitudinalement sur les parties occupées par les gorges formant chemins de roulement inférieures droite et gauche, 14 et 15, du corps principal 10, ces faces étant taillées à 30 par rap- port à la verticale Y-Y et une ligne horizontale inférieure Z-Z du corps principal 10 du roulement. La surface supérieure du corps principal 10 est creusée de trous de fixation 31, 32, 33 et 34. Les deux surfaces extrêmes 23 et 24 sont percées de trous 37, 38, 39 et 40 de fixation des couvercles latéraux, qui sont destinés à fixer les parties planes 35 et 36 des chapeaux latéraux 41 et 42 au moyen de vis. Ces trous de fixation des chapeaux latéraux sont munis de filets intérieurs formés par tarau- dage. Les références 41 et 42 désignent des chapeaux latéraux en acier destinés à être fixés à la surface extrême avant 23 et à la surface extrême arrière 24 du corps principal 10. Les surfaces internes des chapeaux latéraux 41 et 42 présentent des parties concaves 43 qui correspondent aux saillies annulaires 21 et 22 prévues sur les surfaces extrêmes avant et arrière 23 et 24 du corps principal 10 et des parties concaves en U, 44 à 47, destinées à être utilisées pour le changement de direction des billes et qui sont mises en coïncidence avec les gorges formant chemins de roulement 12 à 15 du corps principal 10 et avec les passages de oilles non chargées 26 à 28. Les références 48 à 51-désignent des lan- guettes de guidage semi-circulaires formées dans les chapeaux latéraux 41 et 42. Ces languettes sont formées aux parties inférieures des parties concaves en U 44 à 47 et destinées à être utilisées pour le changement de direction des billes qui roulent dans les gorges formant chemins de roulement 52 à 55 de la glissière 16, c'est-à-dire pour les faire passer d'un mouvement linéaire à un mouvement de rotation par lequel les billes sont introduites dans lesdites parties concaves en U de changement de di- rection 44 à 47 de manière à passer ensuite dans les passages de billes non chargées du corps principal 10. Les références 35 et 36 désignent les par- ties plates des chapeaux latéraux 41 et 42 respectivement, des trous de fixation 55 à 59 sont ménagés aux endroits voulus dans ces parties plates. -7 - La glissière 16 dans laquelle sont formées les gorges de roulement 52 à 55 est faite à partir d'un élément possédant une section carrée et cette glissière est centrée sur le centre 0 du corps principal. Ensuite, on forme les surfaces parallèles supérieure et inférieure, 62 et 62' respectivement, ainsi que les surfa- ces parallèles droite et gauche 70, 70' qui forment des plans de réfé- rence pour l'usinage. Les gorges de roulement supérieures droite et gauche 52 et 53 sont situées sur des rayons issus du centre 1 de la glissière 1G 16 et inclinées de 45 sur l'horizontale X-X. Les gorges de roulement inférieures droite et gauche 54 et 55 respectivement. sont situées sur des rayons inclinés de 15 par rapport à l'.horizontale X-X et sont dispo- sées symétriquement. Par ailleurs, les gorges formant chemins de roulement concaves 52 à 55, qui possèdent sensiblement le même rayon de courbure que les billes sont formées ou usinées de manière que leurs centres soient situés aux intersections du cercle de diamètre primitif, lequel possède un rayon r de la valeur voulue, mesuré à partir du centre 0il Ensuite, on forme les dégagements 60 et 61 des gorges de roulement inférieures (ou latérales) droite et gauche, 54 et 55,-suivant des tangentes aux gorges 54 et 55 parallèles à la verti- cale. La référence 62 désigne une partie plate de la glissière 16, les références 63 et 64 montrent deux saillies et la référence 65 désigne un trou de fixation. La référence 66 désigne-des vis destinées à être utilisées pour fixer les chapeaux latéraux 41 et 42 aux surfaces extrêmes 23 et 24 du corps principal 10. La référence 67 désigne les billes. La réfé- rence 68 désigne la meule utilisée pour meuler les surfaces des quatre rainures. Chacun des éléments constitutifs du dispo- sitif de guidage linéaire à billes suivant l'invention est construit de la façon décrite plus haut et on décrira maintenant l'ordre d'assem- blage de ces éléments. Tout d'abord, on fixe le chapeau latéral 41 à une surface extrême 23 du corps principal 10 au moyen de -8 - vis 66, puis on engage la glissière 16 de la longueur désirée dans la cavité intérieure du corps principal 10. Les éléments étant placés dans cette position, on charge successivement les billes 67 dans les passages de billes non chargées 25 à 28 qui sont creusés dans l'autre surface extrême 24, les billes remplissant ensuite les espaces compris entre les gorges formant chemins de roulement 12 à 15 du corps principal et les gorges formant chemins de roulement 52 à 55 de la glissière, puis on fixe le chapeau latéral 42 à l'autre extrémité à l'aide de vis 66. On décrira maintenant le fonctionnement du dispositif de guidage linéaire à billes suivant l'invention. Lorsque le dispositif de guidage linéaire à billes suivant l'invention est monté dans une machine outil (non repré- sentée), certains éléments sont montés dans l'unité assemblée, et ensuite, on déplace le dispositif de guidage linéaire à billes le long de ces éléments, les billes chargées 67, 67, qui sont contenues par les gorges formant chemins de roulement concaves 52 à 55 de la glissière 16 et les gorges formant chemins de roulement concaves 12 à 15 du corps principal se déplacent avec le corps principal 10, sont relevées par les languettes 48 à 51 de guidage des billes formées dans les chapeaux latéraux, poussées vers le haut dans les parties con- caves en U de changement de direction 44 à 47 puis transférées progressi- vement dans les passages à billes non chargées 25 à 28. Les pentes de contact des billes chargées 67, 67 supérieures montrent que les points de contact entre les billes et le corps principal 10 et entre les billes et la glissière 16 sont situés sur des lignes inclinées de 30 par rapport à la verticale passant par l'axe 02 et également que les points de contact des billes chargées inférieures sont situés sur des lignes inclinées de 30 sur la verticale passant par l'axe 02 et que, de ce fait, les billes chargées supérieures et inférieures, droites étgauches,possèdent la même caracté- ristique de réaction à la charge. Ceci signifie que, comme on peut le voir sur les Fig. 11 (a) et 11 (b), si la caractéristique de réaction à la charge dans une direction dirigée vers un angle de contact est CO, -9- Réaction à la charge dans le sens descendant 1,732 C x 2 = 1,732 C 2 o Réaction à la charge dans les directionshorizontales vers la droite et vers la gauche: C 2C - 2 +2 = Co Réaction à la charge dans le sens ascendant: 1,732 C4 x 2 = 1,732 C0 Par conséquent, les charges dirigées vers le haut sont égales aux charges dirigées vers le bas. Des dégagements sont formés dans les gorges formant chemins de roulement supérieures du corps principal du roulement et dans les parties extérieures des gorges formant chemins de roulement inférieures de la glissière, parallèlement à la ligne Y-Y et des dégage- ments sont également formés dans les parties supérieures des gorges for- niant chemins de roulement inférieures du corps principal, avec un angle d'inclinaison de 300 sur la ligne Y-Y,de sorte que chacun des points de contact est maintenu dans une position spécifiée et que les pentes de contact des deux billes chargées opposées sont parallèles entre elles. De cette façon, il est possible d'appliquer une préco.itrainte aux billes chargées contenues dans ies quatre jeux de gorges tout en conservant totalement les pentes de contact et, en même temps d'allonger de cette façon la durée utile du dispositif de guidage linéaire à billes et d'accroître sa rigidité. Etant donné que le roulement suivant l'in- vention ne comporte pas de cage de retenue et que les gorges concaves formant les chemins de roulement des billes chargées ménagés dans le corps principal et dans la glissière constituent des gorges profondes dont les flancs remontent jusqu'à proximité du cercle primitif des billes, il ne s'exerce pas d'efforts d'arête (efforts polaires d'arête) et on obtient une répartition rationnelle des efforts dans les gorges formant chemins de roulement, ce qui allonge la durée utile du dispositif de guidage linéaire à billes. - 10 - Etant donné que le dispositif de guidage linéaire à billes suivant l'invention ne comporte pas de cage d'appui, le nombre des pièces est réduit et le coût est également réduit. On peut allonger ou réduire la longueur de la surface de roule- ment (qui est analogue à la longueur des gorges formant chemins de roulement),du dispositif de guidage linéaire à billes, de sorte que l'on peut aisément produire différentes sortes de roulements linéaires dont la capacité de charge s'échelonne entre une haute capacité et une capacité réduite. La glissière forme les surfaces parallèles supérieure et inférieure, droite et gauche, de sorte qu'on obtient quatre gorges formant chemins de roulement. REVENDICATION Dispositif de guidage linéaire à billes, carac- térisé en ce qu'il comprend des billes (67) équipant un corps principal (10) dont les surfaces extrêmes avant et arrière (23, 24) sont munies de chapeaux d'extrémité (41, 42) et dans la cavité cylindrique (11) du- quel sont ménagées axialement quatre gorges (12, 13, 14, 15) formant chemins de roulement concaves, possédant sensiblement le même rayon de courbure que lesdites billes, des dégagements (17, 18) étant formés parallèlement à la verticale dans les gorges supérieures droite et gauche (12, 13), tandis que des dégagements (19, 20) inclinés de 30 - par rapport à la verticale, sont formés dans les gorges inférieures droite et gauche (14, 15), des saillies annulaires (21, 22) étant ména- gées à côté des bords desdites gorges, sur les deux surfaces extrêmes du corps principal et des passages de billes non chargées (25. 26, 27, 28) ménagés à côté de la circonférence extérieure desdites saillies annulaires (21, 22),de manière à traverser longitudinalement le corps principal, les chapeaux latéraux (41, 42) destinés à être montés sur les surfaces extrêmes (23, 24) du corps principal présentant des parties annulaires concaves (43) venues de matière et épousant les saillies annulaires (21, 22) du corps principal ainsi que des parties concaves en U de changement de direction des billes (44 à 47) qui recoupent ces parties (43) et au-dessous desquelles sont prévues des languettes de guidage des billes (48 à 51), la glissière (16) présentant des gorges de roulement concaves (52, 53, 54, 55) qui correspondent aux gorges de roulement (12, 13, 14, 15) du corps principal et sont munies, pour les gorges de roulement concaves inférieures droite et gauche de la glis- sière (16) de dégagements (60, 61) parallèles à la verticale et tan- gents à ces gorges.