Brevet FR2530768A1 — publié le 19840127

Cette invention se rapporte à des dispositifs conçus pour convertir une rotation bidirectionnelle en un mouvement de va-et-vient rectiligne et elle a trait, plus spécifique- ment, à un tel convertisseur de mouvement de rotation en un mouvement linéaire du type comportant une vis sans fin et un écrou à billes, des billes anti-friction à recirculation étant en appui de roulement entre leurs filetages en vis à vis pour transformer la rotation de l'un de ces deux éléments en un dé- placement rectiligne de l'autre Plus précisément encore, l'invention se rapporte à des perfectionnements apportés à un guide de retour des billes tubulaire faisant partie d'un tel convertisseur de mouvement de rotation en mouvement liné- aire. Les convertisseurs de mouvement de rotation en mouvement linéaire du type à vis sans fin et à écrou à billes,dits éga- lement du type à recirculation de billes, convertissent un frottement de coulissement en un frottement de roulement grâce aux billes anti-friction Du fait de la résistance de frottement minimale entre les parties coopérantes principales, l'emploi de ces dispositifs s'est largement répandu dans les mécanismes d'avance des machines-outils ou analogues, entre autres applications. Un inconvénient de ce type de convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire concerne le guide de retour des billes qui sert à transporter les billes anti-friction d'une extrémité à l'autre de l'écrou à billes Le guide de retour des billes est réalisé sous la forme d'un tube ayant un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre des billes,qui a été habituellement cintré sous la forme d'un U. Les deux branches parallèles du guide de retour des billes en forme de U sont introduites dans des trous formés dans l'é- crou à billes dans une mesure telle que leurs extrémités viennent de niveau avec la rainure hélicoïdale formée à l'in- térieur de l'écrou à billes Ces extrémités du tube sont spé- cialement découpées pour permettre un transfert sans à-coup des billes de la rainure de l'écrou à billes au guide de re- tour des billes et en retour dans la rainure de l'écrou à billes Ainsi, les billes recirculent constamment pendant la rotation et le déplacement axial relatifs de la vis sans fin et de l'écrou à billes. Cependant, du fait qu'il est en forme de U, le guide de retour des billes classique comporte deux parties fortement incurvées ou presque d'équerre joignant à angle droit ses deux branches parallèles à une autre branche qui les relie. Les parties fortement incurvées ou coudées du guide de retour des billes ont tendance à freiner la circulation des billes anti-friction qui les franchissent et àengendrer du bruit, en particulier lorsque la vitesse du mouvement relatif entre la vis sans fin et l'écrou à billes est élevée Le guide de retour des billes connu a ainsi imposé une limite à la vi- tesse de fonctionnement du convertisseur de mouvement de ro- tation en mouvement linéaire Quelle que soit la vitesse de fonctionnement, en outre, la recirculation sans à-coup des billes est une condition préalable à une rotation et un mou- vement longitudinal relatifs efficaces sans frottement de la vis sans fin et de l'écrou à billes. Un autre inconvénient du guide de retour des billes en forme de U est la difficulté de sa fabrication Il ne se prête pas à une fabrication en série facile. Un problème s'est également posé en ce qui concerne les trous formés dans l'écrou à billes pour l'introduction des extrémités opposées du guide de retour des billes Formés par fraisage en bout, les trous sont en forme de cloche avec des extrémités extérieures évasées Les parties des trous en forme de cloche ne sont pas toutes nécessaires pour l'introduction du guide de retour des billes Les parties inutiles des trous ne servent qu'à réduire la résistance de l'écrou à billes. La présente invention a pour but de rendre plus régulier le déplacement des billes anti-friction dans le guide de re- tour des billes tubulaire dans un convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire du type défini. L'invention a également pour but d'améliorer les trous ou ouvertures formés dans l'écrou à billes pour recevoir les parties d'extrémités opposées du guide de retour des billes de sorte qu'il n'est pas besoin d'enlever une partie quel- conque de l'écrou à billes autre que celle qui est néces- saire pour l'introduction du guide de retour des billes. Sommairement, conformément à l'invention, il est prévu un convertisseur de mouvement de rotation en mouvement liné- aire du type comportant une vis sans fin et un écrou à billes, des billes antifriction étant interposées entre eux de manière à pouvoir effectuer un mouvement de roulement le long des filetages interne et externe qui y sont taillés. Une caractéristique particulière de l'invention concerne le guide de retour des billes tubulaire qui établit un trajet de retour pour les billes anti-friction d'une extrémité de l'é- crou à billes à l'autre De forme arquée, le guide de retour des billes est monté de manière fixe et permanente sur l'ex- térieur de l'écrou à billes avec ses parties d'extrémité op- posées introduites dans une paire d'ouvertures formées à tra- vers l'écrou à billes en des emplacements à la fois circonfé- rentiellement et axialement espacés dudit écrou. Par le terme "arqué", dans le sens o il est utilisé dans la description et dans les revendications annexées pour décrire la forme du guide de retour des billes perfectionné de la présente invention, on entend des formes approximative- ment semi-circulairessemi-elliptiques ou des formes sem- blables qui ne comportent pas de courbes ou coudes à petit rayon Un tel guide de retour des billes arqué n'oppose qu'une faible résistance de frottement aux billes qui y cir- culent Par conséquent, quelle que soit la vitesse, la rota- tion de la vis sans fin peut être efficacement transformée par l'intermédiaire des billes en recirculation sans à-coup, en un mouvement rectiligne de l'écrou à billes ou vice-versa. La production de bruit par les billes qui se déplacent dans le guide de retour est également fortement réduite. On comprendra également que le guide de retour des billes arqué est facile à fabriquer et nécessite moins de matière que le guide en forme de U classique, ce qui contri- bue à réduire le coût du convertisseur de mouvement de rota- tion en mouvement linéaire Une plus grande rigidité est un avantage supplémentaire du guide de retour des billes arqué. Une autre caractéristique de l'invention concerne la paire d'ouvertures formées dans l'écrou à billes pour l'in- troduction des parties d'extrémité opposées du guide de re- tour des billes arqué Chaque ouverture est composée essen- tiellement d'une première partie ayant une section transver- sale semi-circulaire qui s'étend directement dans une direc- tion tangente au cylindre délimité à l'intérieur de l'écrou à billes et d'une seconde partie ayant une section transversale semi-circulaire qui s'incurve en éloignement de la première partie à mesure qu'elle se rapproche de l'extérieur de l'é- crou à billes. Les ouvertures de l'écrou à billes ayant la forme ci- dessus sont bien calculées pour permettre une introduction facile des parties d'extrémité du guide de retour des billes arqué A la différence des trous en forme de cloche clas- siques, les ouvertures sont complètement utilisées pour l'in- troduction des parties d'extrémité du guide Ainsi, étant donné qu'aucune partie inutile de l'écrou à billes n'est dé- coupée, l'écrou àbilles a une plus grande résistance et une plus grande rigidité qu'il n'avait dans les constructions antérieures et ceci sert ainsi à accroître la durée de vie utile du convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire. Un autre avantage des ouvertures de l'écrou à billes ayant la forme ci-dessus réside en ce qu'on peut facilement les former avec une foret a grain d'orge classique au lieu d'avoir à utiliser le fraisage en bout et en ayant seulement besoin de changer la direction de perçage de la manière re- quise La facilité du perçage des ouvertures dans l'écrou à billes contribue à réduire les cofts de fabrication du con- vertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire. Les caractéristiques et avantages de la présente inven- tion ainsi que d'autres apparaîtront plus complètement et l'invention elle-même sera mieux comprise à l'examen de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préfé- ré représenté dans les dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une vue en élévation d'un convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire qui incorpore les nouveaux concepts de la présente invention; la Fig 2 est une vue en coupe axiale du convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire, prise suivant la ligne II-II de la Fig 1; la Fig 3 est une vue en élévation du guide de retour des billes tubulaire du convertisseur de mouvement de rota- tion en mouvement linéaire des Fig 1 et 2; la Fig 4 est une vue en coupe,prise suivant la ligne IV- IV de la Fig 1 et montrant uniquement l'écrou à billes et le guide de retour des billes dans leurs positions de travail relatives; et la Fig 5 est une vue en coupe schématique servant à mon- trer comment s'effectue la recirculation des billes anti- friction dans le convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire des Fig 1-et 2. L'organisation générale du convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire selon l'invention apparait clairement à l'examen des Fig 1 et 2 Ce convertisseur com- prend une vis sans fin 10 et un écrou 12 à billes La vis sans fin ou l'écrou à billes doit être entraîné en rotation par des moyens externes pour provoquer un déplacement de l'autre de ces deux éléments dans une direction longitudinale. L'écrou 12 à billes est monté sur la vis sans fin 10 avec interposition d'une multiplicité de billes anti-friction 14. Ces billes roulent dans une rainure hélicoidale externe 16 taillée dans la vis sans fin 10 et dans une rainure hélicoi- dale interne 18 taillée dans l'écrou 12 à billes. Ainsi, lors de la rotation de la vis sans fin 10, par exemple, les billes 14 roulent dans la rainure hélicoïdale 16 de la vis sans fin les billes doivent également rouler dans la rainure hélicoïdale 18 de l'écrou 12 à billes 14 Par conséquent, lorsque la vis sans fin 10 tourne, les billes 14 provoquent le déplacement linéaire de l'écrou 12 à billes le long de la vis sans fin Pour la même raison, la rotation de l'écrou 12 à billes provoque le mouvement axial de l'écrou 10. Deux bagues d'étanchéité 20 sont montées dans les extré- mités opposées de l'écrou 12 à billes Les bagues d'étanché- ité 20 qui sont, de préférence, moulées en une matière plas- tique rigide ou en caoutchouc dur présentant une propriété de résistance à l'usure, comportent un filetage intérieur 22 qui s'adapte à coulissement dans la rainure hélicoïdale 16 formée dansla vis sans fin 10 Ces bagues d'étanchéité ob- turent les extrémités de l'écrou 12 à billes et s'opposent à la pénétration de poussière et autres matières étrangères dans l'écrou 12 à billes En outre, du fait de leur glisse- ment relatif sur la vis sans fin 10, les bagues d'étanchéité servent à empêcher l'accumulation de poussière sur la vis sans fin Des vis de blocage 24 servent à maintenir fermement les bagues d'étanchéité en place dans l'écrou 12 à billes. Lorsque l'écrou 12 à billes se déplace longitudinalement par rapport à la vis sans fin 10 dans l'un ou l'autre sens, les billes 14 doivent circuler le long de la rainure hélicol- dale 18 de l'écrou à billes A cette fin, il est prévu un guide 26 de retour des billes qui établit un trajet de retour pour les billes 14 de l'une ou l'autre extrémité de l'écrou 12 à billes à l'autre. Comme plus particulièrement représenté sur la Fig 3, le guide 26 de retour des billes est constitué par un tron- çon de tube relativement court ayant un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre des billes 14 L'invention propose de donner au tube une courbure en arc au lieu de la plier sous la forme d'un U comme dans la technique antérieure. Dans ce mode de réalisation particulier, le guide de retour des billes tubulaire est incurvé avec un rayon constant sous une forme semi-circulaire Le rayon de courbure est naturel- lement susceptible de varier en fonction du diamètre intérieur de l'écrou 12 à billes Le tube dans lequel le guide de-re- tour des billes est fabriqué peut être en un quelconque métal aussi bien ferreux que non ferreux, qui est suffisamment ré- sistant à l'usure et possède une résistance mécanique suffi- sante Les extrémités opposées ouvertes du guide de retour des billes sont découpées de façon que leurs côtés extérieurs 28 soient plus longs que leurs côtés intérieurs 30 Ce décou- page des extrémités a pour but de permettre une entrée et une sortie sans à-coup des billes 14 dans et hors du guide de re- tour à partir des rainures hélicoïdales en vis à vis 16 et 18 respectivement de la vis sans fin 10 et de l'écrou 12 à billes et en retour dans ces rainures. Sur les Fig 4 et 5, on a représenté le guide 26 de re- tour des billes monté en place dansl'écrou 12 à billes. Comme on peut le voir également sur les Fig 1 et 2, un évi- dement rectangulaire 32 est formée dans la paroi extérieure de l'écrou 12 à billes pour former une surface plate 34. Le guide 26 de retour des billes est placé en diagonale sur cette surface plate 34 avec ses parties d'extrémité opposées introduites dans une paire d'ouvertures 36 formées à travers l'écrou 12 à billes On peut voir, par conséquent, que les ouvertures 36 sont formées en des emplacements à la fois axialement et circonférentiellement espacés de l'écrou 12 à billes. Chaque ouverture 36 est composée essentiellement d'une première partie 38 ayant une section semi-circulaire qui s'é- -tend en ligne droite dans une direction tangente au cylindre délimité à l'intérieur de l'écrou 12 à billes et d'une se- conde partie 40 ayant une section semi-circulaire disposée du côté de la première partie qui est dirigé vers l'autre ouverture et qui s'incurve en éloignement de la première partie à mesure qu'elle se rapproche de l'extérieur de l'é- crou à billes Ces ouvertures peuvent être formées au moyen d'un foret à grain d'orge par exemple sur une machine-outil à commande numérique. On comprendra à l'examen des Fig 4 et 5 que l'on peut facilement introduire les parties d'extrémité opposées du guide de-retour des-billes arqué 26 dans les ouvertures res- pectives 36 formées dans l'écrou 12 à billes simplement en plaçant le guide sur la partie plate 34 de l'écrou à billes. Ainsi monté en place, le guide 26 de retour des billes a ses extrémités opposées qui débouchent dans les spires d'extrémi- té de la rainure hélicoïdale interne 18 de l'écrou 12 à billes, comme plus particulièrement représenté sur la Fig 2, établissant ainsi un trajet de retour des billes entre ces spires dans l'un ou l'autre sens. Comme représenté sur les Fig 1 et 2 auxquelles on se référera à nouveau, un organe de serrage 42 est fixé sur la partie plate 34 de l'écrou 12 à billes pour y retenir fer- mement en place le guide 26 de retour des billes L'organe de serrage 42 du guide de retour des billes est une pièce de mé- tal de forme générale rectangulaire dans la surface inférieure de laquelle est découpée en diagonale une rainure 44 en forme de canal pour recevoir sans jeu une partie du guide 26 de re- tour des billes Deux trous de montage contre-alésés 46 sont formés à travers l'organe 42 de serrage du guide de retour des billes pour permettre le passage de vis 48 au moyen des- quelles l'organe de serrage est fixé sur l'écrou 12 à billes. Lors du fonctionnement du convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire construit de -la manière ci- dessus décrite,les billes anti-friction 14 roulent de la ma- nière décrite ci-dessus dans la rainure hélicoïdale 16 de la vis sans fin 10 et dans la rainure hélicoïdale 18 de l'écrou 12 à billes lorsque la vis sans fin est entraînée enrotation, pour provoquer un déplacement axial de l'écrou à billes,ou vice-versa Chaque bille effectue pluieurs tours autour de la vis sans fin 10 Ainsi, lorsqu'elles atteignent l'une des spires d'extrémité opposées de la rainure hélicoldale 18 de l'écrou 12 à billes, les billes entrent successivement dans le guide de retour des billes tubulaire 26 par l'une de ses extrémités arrondies Les billes peuvent circuler sans à-coup et sans bruit dans le guide de retour grâce à sa forme arquée. Les billes sortent ensuite de l'autre extrémité du guide de retour et entrent dans l'autre spire d'extrémité de la rai- nure hélicoïdale formée dans l'écrou à billes et elles sont alors à nouveau emprisonnées entre la vis sans fin et l'écrou à billes. Les billes 14 circulent constamment suivant le trajet en boucle fermée cidessus tant que la vis sans fin ou l'écrou à billes tourne pour provoquer le déplacement axial de l'autre de ces deux éléments Le sens de déplacement des billes le long du trajet est naturellement susceptible de changer se- lon le sens du mouvement de rotation et du mouvement axial relatifs de la vis sans fin et de l'écrou à billes. Bien que le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus soit parfaitement conçu pour remplir les objectifs énoncés ci-dessus, il est bien entendu que l'on peut apporter des modifications et changements à l'invention et réaliser des variantes de l'invention sans sortir du cadre véritable et de la juste signification des revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Un convertisseur de mouvement de rotation en mouvement linéaire capable de transformer un mouvement de rotation en un mouvement rectiligne,qui est du type comportant un écrou ( 12) à billes monté sur une vis sans fin ( 10) avec interposi- tion d'une série de billes anti-friction ( 14) montées à rou- lement entre une rainure hélicoïdale interne ( 18) formée dans l'écrou à billes et une rainure hélicoïdale externe ( 16) for- mée dans la vis sans fin, caractérisé en ce qu'il comporte un guide de retour tubulaire ( 26) établissant un trajet de retour pour les billes d'une extrémitédel'écrouàbillesàl'autre, le guide de retour des billes ayant une forme arquée et étant rigidement monté sur l'extérieur de l'écrou à billes, les par- ties d'extrémité opposées du guide de retour des billes étant reçues dans une paire d'ouvertures ( 36) formées à travers l'écrou à billes dans des emplacements axialement et circon- férentiellement espacés de ce dernier. 2 Convertisseur à mouvement de rotation en mouvement liné- aire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ouverture ( 36) formée dans l'écrou ( 12) à billes est composée d'une première partie ( 38) ayant une section transversale semi- circulaire qui s'étend en ligne droite dans une direction tan- gente à un cylindre délimité à l'intérieur de l'écrou ( 12) à billes et une seconde partie ( 40) ayant une section transver- sale semi-circulaire qui s'incurve en éloignement de la pre- mière partie à mesure qu'elle se rapproche de l'extérieur de l'écrou à billes. 3 Convertisseur de mouvement de rotation en mouvement liné- aire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide ( 26) de retour des billes est incurvé avec un rayon constant.