WO1992015802A1 - Worm gear - Google Patents

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Heiner Fees
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    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
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    • F16H55/08—Profiling
    • F16H55/0853—Skewed-shaft arrangement of the toothed members

Definitions

  • the invention relates to a worm gear according to the type of the main claim.
  • a worm gear is known (DIN 867).
  • the requirements for a worm gear of precision engineering are determined by: - high efficiency
  • this tooth can be designed in a plastic-compatible manner (thick tooth base) and insensitive to the center distance (involute middle part) so that almost every requirement on the worm gear is met.
  • the pitch circles are placed in the upper third of the worm gear tooth head in order to enable hydrodynamic sliding of the two tooth flanks and to improve the efficiency.
  • the involute high toothing area is used to make the toothing insensitive to center distance deviations and thus to allow higher tolerances for gear manufacturing.
  • the concave tooth base reinforces the tooth base compared to the well-known involute toothing, especially with undercut toothing. Through the reinforcement, the tooth bending stress of the tooth under load is minimized and the spec. Material characteristics adjusted.
  • the pairing of the concave tooth base with the convex tooth head of the worm results in a significant reduction in the Hertzian pressure. This minimizes the risk of damage caused by dimples.
  • the cycloid on the tooth base extends the active flank and strengthens the tooth base, the pressure is reduced, the degree of coverage is increased, the tooth base tension is reduced.
  • the convex tooth head ensures that the worm teeth are no longer undercut for multi-tooth worms and large pitch angles. An undercut would weaken the worm tooth and shorten the active contact length of the flanks.
  • the ripples on the toothing in the top corner area minimize the torque ripple and the specific entry slip. This creates a toothing that can meet the requirements for a modern high-performance gear unit in precision engineering with regard to its material properties and efficiency. Due to the favorable osculation on the tooth head / tooth base, a hydrodynamic lubricating film can build up, which minimizes wear and increases the gear efficiency. drawing
  • a worm or a worm wheel has a toothing 1 in which a tooth 2 is provided on its tooth head 3 with an inlet runner 4 which merges into an epicycloid.
  • the tooth base 5, on the other hand, is concave (hypocycloid) in order to reinforce the tooth base cross section. The hypocycloid opens into the tooth base 6. Between the convex inlet runner 4 and the concave tooth base 5 there is an involute middle part 7.
  • a worm gear that is suitable for plastics, it is important that the profile is designed so that the specific load on the worm gear tooth base is adapted to the material.
  • the pitch circle is located on the plastic wheel near tooth base 5.
  • a further reduction of the spec. Head sliding is achieved in that a skid shape is created on the tooth head, which is composed of several, for example three, circular sections 8.
  • the tooth head 3 is designed like a sled runner, which ensures good entry into the opposite tooth.
  • this can be plastic-compatible (thick tooth base), insensitive to the center distance
  • the involute high toothing area in the tooth center part 7 (pressure angle ⁇ 10 °) serves to make the toothing insensitive to axis distance deviations and thus to allow higher tolerances for the gear manufacturing.
  • the concave tooth base 5 reinforces it compared to the known involute toothing, particularly in the case of undercut toothing. Through the reinforcement, the tooth bending stress of the tooth under load is minimized and the spec. Material characteristics adjusted.
  • the pairing of the concave tooth base 5 with the convex tooth head 3 of the worm causes a significant reduction in the Hertzian pressure. This minimizes the risk of damage caused by dimple formation.
  • the tooth head 3 is designed to be convex, since the worm teeth are at risk of undercutting in the case of multi-tooth worms and large pitch angles.
  • the undercut weakens the worm tooth and shortens the active contact length of the flanks.
  • the cycloid on the tooth base 5 extends the active flank and reinforces it. Tooth root 5, the pressure is reduced, the degree of coverage is increased, the tooth root tension is reduced.
  • the ripples on the toothing minimize the torque ripple and the specific entry slip. This creates a toothing that fulfills the required conditions for a modern high-performance gearbox in terms of its material properties and efficiency. Due to the favorable osculation on the tooth head 3 / tooth base 5, a hydrodynamic lubricating film can build up, which minimizes wear and increases the gear efficiency.
  • the worm gear according to the invention has the following advantageous properties: - Axis spacing insensitivity

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Abstract

Proposed is a worm gear in which the force-transmission contact surfaces of the worm and the worm wheel are optimized so that the Hertzian stress is reduced and a reliable film of lubricant built up. The worm wheel is preferably suited for manufacture from plastics materials and is intended for use in vehicle steering gear. Other fields of application are motor-vehicle servo drives in which high power and low running noise are required.

Description

Schneckengetriebe Stand der Technik State-of-the-art worm gear
Die Erfindung geht aus von einem Schneckengetriebe nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiges Schneckengetriebe ist bekannt (DIN 867). The invention relates to a worm gear according to the type of the main claim. Such a worm gear is known (DIN 867).
Diese bekannten Schneckengetriebe haben gegenüber Stirnradgetrieben einen geringeren Wirkungsgrad. Desweiteren ist bei bekannten Schneckengetrieben eine große Abstandsempfindlichkeit zwischen Schnecke und Schneckenrad gegeben. These known worm gears have a lower efficiency than spur gear. Furthermore, in known worm gears, there is a great sensitivity to the distance between the worm and the worm wheel.
Bei der Neu- und Variantenkonstruktion eines Getriebes wird die Aufgabenstellung durch die gewünschten Funktionsanforderungen bestimmt: When designing a new gearbox or a variant, the task is determined by the desired functional requirements:
minimale Reibung  minimal friction
präzise Positionierung (minimales Verdrehflankenspiel)  precise positioning (minimal backlash)
werkstoffgerechte Verzahnungsgeometrie  gear geometry suitable for the material
Achsabstandsunempfindlichkeit Die Standardverzahnungen nach DIN 867 beinhalten eine Reihe von Kompromissen und sind somit nicht in der Lage, die individuellen Antriebsprobleme eines feinwerktechniεchen Schneckentriebes zu lösen. Aus diesem Grund wurden neue Verzahnungsgeometrien erarbeitet, welche die Anforderungen eines feinwerktechnischen Center distance insensitivity The standard gears according to DIN 867 contain a number of compromises and are therefore not able to solve the individual drive problems of a precision worm drive. For this reason, new gear geometries have been developed that meet the requirements of a precision engineering
Schneckengetriebes erfüllen.  Fulfill worm gear.
Die Anforderung an ein Schneckengetriebe der Feinwerktechnik werden bestimmt durch: - hohen Wirkungsgrad The requirements for a worm gear of precision engineering are determined by: - high efficiency
- kompakte Bauweise  - compact design
- Unempfindlichkeit gegen Achsabstandsabweichung  - Insensitivity to center distance deviation
- geringes spez. Kopfgleiten  - low spec. Head sliding
- hohe Zahnfußtragfähigkeit  - high tooth root load capacity
- geräuscharmen Lauf  - quiet running
- Spielarmut  - lack of gaming
- geringe Kosten der Verzahnung  - low cost of gearing
- werkstoffgerechte Zahnformauslegung  - Design of tooth shape appropriate to the material
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Durch die Kombination von verschiedenen Zahnformen am Schneckenradzahn und analog am Schneckenzahn kann dieser Zahn kunststoffgerecht (dicker Zahnfuß) und achsabstandsunempfindlich (evolventisches Mittelteil) so gestaltet werden, daß nahezu jede Anforderung an das Schneckengetriebe erfüllt wird. Bei der erfindungsgemäßen Verzahnung werden die Wälzkreise in das obere Drittel des Schneckenradzahnkopfes gelegt, um somit ein hydrodynamisches Gleiten der beiden Zahnflanken zu ermöglichen und den Wirkungsgrad zu verbessern. Weitere Vorteile sind: By combining different tooth shapes on the worm gear tooth and analogously on the worm tooth, this tooth can be designed in a plastic-compatible manner (thick tooth base) and insensitive to the center distance (involute middle part) so that almost every requirement on the worm gear is met. In the toothing according to the invention, the pitch circles are placed in the upper third of the worm gear tooth head in order to enable hydrodynamic sliding of the two tooth flanks and to improve the efficiency. Other advantages are:
Der evolventische Hochverzahnungsbereich dient dazu, die Verzahnung gegen Achsabstandsabweichungen unempfindlich zu machen und somit für die Zahnradfertigung höhere Toleranzen zuzulassen.  The involute high toothing area is used to make the toothing insensitive to center distance deviations and thus to allow higher tolerances for gear manufacturing.
Der konkave Zahnfuß verstärkt den Zahnfuß gegenüber der bekannten Evolventenverzahnung, besonders bei Unterschnittsverzahnungen. Durch die Verstärkung wird die Zahnbiegespannung des Zahnes unter Last minimiert und den spez. Werkstoffkennwerten angepaßt. Die Paarung des konkaven Zahnfußes mit dem konvexen Zahnkopf der Schnecke bewirkt eine deutliche Reduzierung der Hertz' sehen Pressung. Somit wird die Gefahr der Schädigung durch Grübchenbildung minimiert. The concave tooth base reinforces the tooth base compared to the well-known involute toothing, especially with undercut toothing. Through the reinforcement, the tooth bending stress of the tooth under load is minimized and the spec. Material characteristics adjusted. The pairing of the concave tooth base with the convex tooth head of the worm results in a significant reduction in the Hertzian pressure. This minimizes the risk of damage caused by dimples.
Die Zykoide am Zahnfuß verlängert die aktive Flanke und verstärkt den Zahnfuß, die Pressung wird gesenkt, der Überdeckungsgrad wird erhöht, die Zahnfußspannung wird gesenkt. Der konvex gestaltete Zahnkopf bewirkt, daß die Schneckenverzahnung bei mehrzahnigen Schnecken und großen Steigungswinkeln nicht mehr unterschnitten ist. Durch einen Unterschnitt würde der Schneckenzahn geschwächt und die aktive Berührungslänge der Flanken verkürzt. The cycloid on the tooth base extends the active flank and strengthens the tooth base, the pressure is reduced, the degree of coverage is increased, the tooth base tension is reduced. The convex tooth head ensures that the worm teeth are no longer undercut for multi-tooth worms and large pitch angles. An undercut would weaken the worm tooth and shorten the active contact length of the flanks.
Durch die angebrachten Kurven an der Verzahnung im Kopfeckbereich wird die Momentenwelligkeit und das spezifische Eintrittsgleiten minimiert. Dadurch entsteht eine Verzahnung, die hinsichtlich ihrer Werkstoffeigenschaften und ihres Wirkungsgrades die geforderten Bedingungen an ein modernes Hochleistungsgetriebe der Feinwerktechnik erfüllen kann. Aufgrund der günstigen Schmiegung am Zahnkopf/Zahnfuß kann sich ein hydrodynamischer Schmierfilm aufbauen, welcher den Verschleiß minimiert und den Verzahnungswirkungsgrad erhöht. Zeichnung The ripples on the toothing in the top corner area minimize the torque ripple and the specific entry slip. This creates a toothing that can meet the requirements for a modern high-performance gear unit in precision engineering with regard to its material properties and efficiency. Due to the favorable osculation on the tooth head / tooth base, a hydrodynamic lubricating film can build up, which minimizes wear and increases the gear efficiency. drawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
Eine Schnecke oder ein Schneckenrad hat eine Zahnung 1, bei der ein Zahn 2 an seinem Zahnkopf 3 mit einer Einlaufkufe 4 versehen ist, die in eine Epizykloide übergeht. Der Zahnfuß 5 ist dagegen konkav (Hypozykloide) ausgebildet, um den Zahnfußguerschnitt zu verstärken. Die Hypozykloide mündet im Zahngrund 6. Zwischen der konvexen Einlaufkufe 4 und dem konkaven Zahnfuß 5 liegt ein evolventischer Mittenteil 7. A worm or a worm wheel has a toothing 1 in which a tooth 2 is provided on its tooth head 3 with an inlet runner 4 which merges into an epicycloid. The tooth base 5, on the other hand, is concave (hypocycloid) in order to reinforce the tooth base cross section. The hypocycloid opens into the tooth base 6. Between the convex inlet runner 4 and the concave tooth base 5 there is an involute middle part 7.
Für eine kunststoffgerechte Schneckenverzahnung ist es wichtig, daß das Profil so ausgebildet ist, daß die spezifische Belastung am Schneckenradzahnfuß dem Werkstoff angepaßt ist. For a worm gear that is suitable for plastics, it is important that the profile is designed so that the specific load on the worm gear tooth base is adapted to the material.
Der Wälzkreis befindet sich am Kunststoffrad nahe am Zahnfuß 5. The pitch circle is located on the plastic wheel near tooth base 5.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Zahnfußspannung aufgrund der geringen Hebellänge minimiert wird. Durch die Verlagerung des Wälzkreises zum Schneckenrad-Zahnfuß 5 bzw. Schneckenrad-Zahnkopf wird erreicht, daß sich an der Verzahnung ähnlich Hohlflankenschnecken ein hydrodynamischer Schmierfilm durch die verbesserte Schmiegung der Zahnflanken bildet. This measure ensures that the tooth root tension is minimized due to the short lever length. By shifting the pitch circle to the worm gear tooth base 5 or worm gear tooth head, a hydrodynamic lubricating film is formed on the toothing similar to hollow-flank worms by the improved osculation of the tooth flanks.
Die Reduzierung der spez. Pressung am Zahnfuß 5 und Zahnkopf 3 wird durch die Paarung einer konvexen mit einer konkaven Fläche erreicht. Durch eine solche Bauart ist das Minimieren des spez. Kopfgleitens möglich. Dadurch wird die Sicherheit gegen Verschleiß erhöht. The reduction of the spec. Pressure on the tooth base 5 and tooth head 3 is achieved by pairing a convex with a concave surface. Such a design minimizes the spec. Head gliding possible. This increases the security against wear.
Eine weitere Reduktion des spez. Kopfgleitens wird dadurch erreicht, daß an dem Zahnkopf eine Kufenform erstellt ist, die sich aus mehreren, beispielsweise drei Kreisabschnitten 8 zusammensetzt. A further reduction of the spec. Head sliding is achieved in that a skid shape is created on the tooth head, which is composed of several, for example three, circular sections 8.
Durch diese Maßnahme wird der Uberdeckungsgrad minimal verringert, und die Möglichkeit geschaffen, daß sich ein hydrodynamischer  This measure minimally reduces the degree of coverage and creates the possibility that a hydrodynamic
Schmierfilm in dem engerwerdenden Spalt aufbauen kann. Dazu kommt, daß der Zahnkopf 3 wie eine Schlittenkufe ausgebildet ist, die einen guten Einlauf in den Gegenzahn gewährleistet.  Can build up lubricating film in the narrowing gap. In addition, the tooth head 3 is designed like a sled runner, which ensures good entry into the opposite tooth.
Durch die erfindungsgemäße Kombination von verschiedenen Zahnformen wie konkav, konvex und evolvent am Schneckenradzahn 2 kann dieser kunststoffgerecht (dicker Zahnfuß), achsabstandsunempfindlich Due to the inventive combination of different tooth shapes such as concave, convex and involute on the worm gear tooth 2, this can be plastic-compatible (thick tooth base), insensitive to the center distance
(evolventisches Mittelteil) so gestaltet werden, daß nahezu jede Anforderung an das Schneckengetriebe erfüllt wird. Bei dieser Verzahnung wird angestrebt, die Wälzkreise in das obere Drittel des Schneckenradzahnkopfes 2 zu legen, um somit ein hydrodynamisches Gleiten der beiden aufeinanderlaufenden Zahnflanken zu ermöglichen.  (involute middle section) be designed so that almost every requirement on the worm gear is met. In the case of this toothing, the aim is to place the pitch circles in the upper third of the worm gear tooth head 2, in order to enable hydrodynamic sliding of the two tooth flanks running on one another.
Durch die Paarung eines konkaven Zahnfußes 5 mit einer evolventischen Hochverzahnung im Zahnmittelteil 7 und eines konvexen Zahnkopfes 3 wird die somit entstandene Verzahnung der Kunststoffspritz- technik gerecht. By pairing a concave tooth base 5 with an involute high toothing in the tooth center part 7 and a convex tooth head 3, the toothing thus created is suitable for plastic injection molding technology.
Der evolventische Hochverzahnungsbereich im Zahnmittelteil 7 (Eingriffswinkel < 10°) dient dazu, die Verzahnung gegen Achsabstandsabweichungen unempfindlich zu machen und somit für die Zahnradfertigung höhere Toleranzen zuzulassen. The involute high toothing area in the tooth center part 7 (pressure angle <10 °) serves to make the toothing insensitive to axis distance deviations and thus to allow higher tolerances for the gear manufacturing.
Der konkave Zahnfuß 5 verstärkt diesen gegenüber der bekannten Evolventenverzahnung, besonders bei Unterschnittsverzahnungen. Durch die Verstärkung wird die Zahnbiegespannung des Zahnes unter Last minimiert und den spez. Werkstoffkennwerten angepaßt. Die Paarung des konkaven Zahnfußes 5 mit dem konvexen Zahnkopf 3 der Schnecke bewirkt eine deutliche Reduzierung der Hertz 'sehen Pressung. Somit wird die Gefahr der Schädigung durch Grübchenbildung minimiert- The concave tooth base 5 reinforces it compared to the known involute toothing, particularly in the case of undercut toothing. Through the reinforcement, the tooth bending stress of the tooth under load is minimized and the spec. Material characteristics adjusted. The pairing of the concave tooth base 5 with the convex tooth head 3 of the worm causes a significant reduction in the Hertzian pressure. This minimizes the risk of damage caused by dimple formation.
Der Zahnkopf 3 ist konvex gestaltet, da die Schneckenverzahnung bei mehrzähnigen Schnecken und großen Steigungswinkeln unterschnittsge- fährdet ist. Durch den Unterschnitt wird der Schneckenzahn geschwächt und die aktive Berührungslänge der Flanken verkürzt. Die Zykoide am Zahnfuß 5 verlängert die aktive Flanke und verstärkt der. Zahnfuß 5, die Pressung wird gesenkt, der Uberdeckungsgrad wird erhöht, die Zahnfußspannung wird gesenkt. The tooth head 3 is designed to be convex, since the worm teeth are at risk of undercutting in the case of multi-tooth worms and large pitch angles. The undercut weakens the worm tooth and shortens the active contact length of the flanks. The cycloid on the tooth base 5 extends the active flank and reinforces it. Tooth root 5, the pressure is reduced, the degree of coverage is increased, the tooth root tension is reduced.
Durch die angebrachten Kurven an der Verzahnung werden die Momenten- welligkeit und das spezifische Eintrittsgleiten minimiert. Dadurch ist eine Verzahnung geschaffen, die hinsichtlich ihrer Werkstoffeigenschaften und ihres Wirkungsgrades die geforderten Bedingungen an ein modernes Hochleistungsgetriebe erfüllt. Aufgrund der günstigen Schmiegung am Zahnkopf 3/Zahnfuß 5 kann sich ein hydrodynamischer Schmierfilm aufbauen, welcher den Verschleiß minimiert und den Verzahnungswirkungsgrad erhöht. The ripples on the toothing minimize the torque ripple and the specific entry slip. This creates a toothing that fulfills the required conditions for a modern high-performance gearbox in terms of its material properties and efficiency. Due to the favorable osculation on the tooth head 3 / tooth base 5, a hydrodynamic lubricating film can build up, which minimizes wear and increases the gear efficiency.
Das erfindungsgemäße Schneckengetriebe hat folgende vorteilhafte Eigenschaften: - Achsabstandsunempfindlichkeit The worm gear according to the invention has the following advantageous properties: - Axis spacing insensitivity
- präzise Positionierung (Spielarmut) - precise positioning (lack of play)
- hoher Verzahnungswirkungsgrad  - high gear efficiency
- geringe Schleppmomente bei Antrieb vom Schneckenrad - low drag torque when driven by the worm wheel
- hohe Zahnfußfestigkeit geringe Momentwelligkeit - high tooth root strength low moment ripple
werkstoffgerechte Beanspruchung der Zähne geringe Laufgeräusche material-specific stress on the teeth, low running noise
kostengünstige Verzahnung und inexpensive gearing and
minimaler Bauraum. minimal installation space.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Schneckengetriebe, insbesondere für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges, mit einer Schnecke und einem Schneckenrad, die an ihren kraftubertragenden Berührungsflächen optimiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schnecke und Schneckenrad zur Reduzierung der Hertz' sehen Pressung der Zahnfuß (5) konkav, der Zahnmittelteil (7) mit einer evolventischen Hochverzahnung und der Zahnkopf (3) konvex ausgebildet sind. 1. worm gear, in particular for a steering gear of a motor vehicle, with a worm and a worm wheel, which are optimized on their force-transmitting contact surfaces, characterized in that the worm and worm wheel to reduce the Hertz 'see pressure of the tooth base (5) concave, the tooth center part (7) with an involute high toothing and the tooth head (3) are convex.
2. Schneckengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Paarung Schnecke/Schneckenrad aus Kunststoff hergestellt, insbesondere gespritzt ist. 2. Worm gear according to claim 1, characterized in that at least part of the pairing worm / worm wheel made of plastic, in particular is injection molded.
3. Schneckengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Berührungsstellen durch Flächen vergrößert ein 3. worm gear according to claim 1 or 2, characterized in that at the points of contact enlarged by areas
Schmierfilm aufbaubar und der Verschleiß herabgesetzt ist. Lubricant film buildable and the wear is reduced.
4. Schneckengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Zahnkopfes (2) aus mehreren, 4. worm gear according to one of claims 1 to 3, characterized in that the shape of the tooth head (2) from several,
vorzugsweise drei Kreisabschnitten (8) zusammengesetzt ist, wodurch am Zahnkopf (2) eine besondere Einlaufkufe (4) gebildet ist. preferably three circular sections (8) are assembled, as a result of which a special run-in runner (4) is formed on the tooth head (2).
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