DE1195125B

DE1195125B - Screw drive

Info

Publication number: DE1195125B
Application number: DEI16854A
Authority: DE
Inventors: Oliver Edward Saari
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1959-08-17
Filing date: 1959-08-17
Publication date: 1965-06-16

Description

Schraubtrieb Die Erfindung bezieht sich auf Getriebe und insbesondere auf solche mit nichtparallelen und sich nicht schneidenden Achsen, die allgemein unter der Bezeichnung Schraubtrieb bekannt sind.Screw Drive The invention relates to transmissions and more particularly to those with non-parallel and non-intersecting axes, which are general are known as screw drive.

Durch die deutsche Patentschrift 1035 998 ist ein Schraubtrieb bekanntgeworden, der ein konisches Schneckenritzel und ein dazugehöriges stimseitig verzahntes Schraubrad aufweist. Die Zähne dieses Ritzels weisen unsymmetrische Eingriffswinkel auf. Dieser bekannte Schraubtrieb eignet sich jedoch nur für größere Übersetzungsverhältnisse.Through the German patent specification 1035 998 a screw drive has become known which has a conical worm pinion and an associated helical gear toothed on the face side. The teeth of this pinion have asymmetrical pressure angles. However, this known screw drive is only suitable for larger gear ratios.

Es ist auch schon ein Getriebe bekanntgeworden, das aus einem stirnseitig verzahnten Tellerrad und einem mit diesem kämmenden zylindrischen Ritzel, dessen Drehachse gegenüber der Mittellinie des Tellerrades versetzt angeordnet ist und dessen Zähne konstante Steigung und unsymmetrische Eingriffswinkel aufweisen. Dieses bekannte Getriebe ist jedoch so ausgebildet, daß sich eine unerwünschte Beschränkung der Abwälzbewegung sowie ungünstige Kräfteverhältnisse beim Abwälzen ergeben. Das liegt daran, daß bei dem bekannten Getriebe für den Eingriffsgrenzwinkel nur eine sogenannte Punktfunktion angegeben ist. Die Berechnungen für diesen Grenzwinkel müssen also, ebenso wie die Berechnungen der Steigung des Ritzels, für jeden einzelnen Punkt der Zahnffanken einzeln durchgeführt werden. Die auf diese Weise erhaltenen Beziehungen gelten in anderen Punkten nur angenähert. Die Wahl des Punktes, für den die Berechnung durchgeführt wird, innerhalb der Zahnflanke ist nun von primärer Bedeutung für eine gute Zahnforin. Bei dem bekannten Getriebe liegt dieser Berechnungspunkt etwa in der Mitte der Zahnffanke, d. h. auf einem mittleren Radius, mitten zwischen der Zahnspitze und der Wurzel des Zahnes.A transmission has also become known which consists of a face-side toothed ring gear and a cylindrical pinion meshing with this, the axis of rotation of which is offset from the center line of the ring gear and whose teeth have a constant pitch and asymmetrical pressure angle. However, this known transmission is designed in such a way that there is an undesirable restriction of the rolling movement and unfavorable force relationships during rolling. This is due to the fact that in the known transmission only a so-called point function is specified for the engagement limit angle. The calculations for this critical angle, like the calculations for the pitch of the pinion, must therefore be carried out individually for each point on the tooth flank. The relationships obtained in this way are only approximate in other points. The choice of the point within the tooth flank for which the calculation is carried out is now of primary importance for a good tooth shape. In the known transmission, this calculation point is approximately in the middle of the tooth flank, i.e. H. on a medium radius, midway between the tip of the tooth and the root of the tooth.

Im übrigen ist das bekannte Getriebe nur für eine Evolventen-Schraubenverzahnung des Zahnritzels offenbart da die Analyse für dieses bekannte Getriebe nicht genügend allgemein durchgeführt wurde.In addition, the known gear is only for an involute helical toothing of the pinion reveals the analysis for this known transmission is insufficient generally carried out.

Infolge der ungünstigen Anordnung des Eingriffspunktes bei dem bekannten Getriebe liegt der Grenzeingriffswinkel dort zwischen 35 und 401. Dieser Winkel ist viel zu groß und führt zu hohen Zahnbelastungen.As a result of the unfavorable arrangement of the point of engagement in the known gear, the limit pressure angle there is between 35 and 401. This angle is much too large and leads to high tooth loads.

Die Erfindung geht demgemäß von einem Schraubtrieb aus, der aus einem stiniseitig verzahnten Schraubrad und einem damit kämmenden zylindrischen Ritzel mit Zähnen konstanter Steigung besteht, dessen Drehachse gegenüber der Mittellinie des Schraubrades versetzt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Berechnungspunkt und die Eingriffswinkel so zu wählen, daß sich auch bei einem relativ niedrigen übersetzungsverhältnis und einer größeren Achsversetzung eine besonders feste und gute Verzahnung mit einer niedrigen Zahnflankenbelastung ergibt.The invention is based accordingly on a screw drive, which consists of a Stini-sided toothed helical gear and a cylindrical pinion meshing with it with teeth of constant pitch whose axis of rotation is opposite the center line of the helical gear is offset. The invention is based on the object of the calculation point and to choose the pressure angle so that even at a relatively low transmission ratio and a larger axis offset a particularly fixed and results in good toothing with a low tooth flank load.

Die Erfindung besteht darin, daß die Zähne des zylindrischen Ritzels, wie an sich bekannt, unsymmetrische Eingriffswinkel aufweisen, wobei die beiden Eingriffswinkel symmetrisch zu einer Eingriffsgrenzlinie liegen, die durch die Projektion des auf der inneren Hälfte der Zahnfläche liegenden Eingriffspunktes des Ritzels auf den Umfang desselben auf der von der Schraubradachse abgelegenen Seite hindurchgeht und in der Axialebene des Ritzels senkrecht zur Schraubradachse verläuft, wobei ferner die Eingriffsgrenzlinie senkrecht auf einer Geraden steht, die innerhalb der Axialebene des Ritzels durch die genannte Projektion und durch den projizierten Schnitt der Ritzelachse mit der Axialebene des Schraubrades senkrecht zur Ritzelachse verläuft.The invention consists in that the teeth of the cylindrical pinion, as known per se, have asymmetrical pressure angles, the two Pressure angle lie symmetrical to a pressure limit line, which is determined by the projection the point of engagement of the pinion lying on the inner half of the tooth surface passes to the circumference of the same on the side remote from the helical gear axis and runs in the axial plane of the pinion perpendicular to the helical gear axis, wherein furthermore, the line of engagement is perpendicular to a straight line which is within the axial plane of the pinion through said projection and through the projected one Section of the pinion axis with the axial plane of the helical gear perpendicular to the pinion axis runs.

Während in den Druckschriften, die die vorerwähnten bekannten Getriebe beschreiben, nur sehr spezielle Betrachtungen und demgemäß beschränkt geeignete Berechnungsarten verwendet wurden, wurde, um zur vorstehend angegebenen technischen Lehre zu gelangen, eine wissentlich umfangreichere allgemeine Analyse durchgeführt. Diese Analyse ist so allgemein gehalten, daß sich die Lehre nicht nur auf eine Evolventenform der Zähne des Zahnritzels, sondern auch auf Ritzelzähne mit geraden Flanken anwenden läßt. Die richtige Wahl der Lage des Eingriffspunktes nach der vorstehend gegebenen Lehre erlaubt es, den Eingriffsgrenzwinkel etwa zu 251, in seltenen Fällen zu etwa 301, zu wählen.While only very special considerations and accordingly limited suitable types of calculation were used in the publications describing the aforementioned known transmissions, a knowingly more extensive general analysis was carried out in order to arrive at the technical teaching given above. This analysis is so general that the teaching can be applied not only to an involute shape of the teeth of the pinion, but also to pinion teeth with straight flanks. The correct choice of the position of the engagement point according to the teaching given above allows the engagement limit angle to be approximately 251, in rare cases approximately 301 .

Die vorgesehene Anordnung des Eingriffspunktes gestattet auch die Wahl größerer Achsabstände, die wiederum eine bessere Schneidwirkung des wie das Zahnritzel ausgebildeten Fräsers bei der Herstellung des Schraubrades ermöglichen, so daß zur Herstellung des Schraubrades keine komplizierten Verforinungsverfahren oder Werkzeugmaschinen benötigt werden.The intended arrangement of the engagement point also allows the Choice of larger center distances, which in turn has a better cutting effect of the like that Enable pinion trained milling cutter in the production of the helical gear, so that no complicated Verforinungsverfahren to manufacture the helical gear or machine tools are required.

Ferner erfordert der erfindungsgemäße Schraubtrieb einen geringen Einbauraum- und ist schließlich dann besonders geeignet wenn höchste Anforderungen an die Spielfreiheit des Getriebes gestellt werden.Furthermore, the screw drive according to the invention requires a small one Installation space and is particularly suitable when the highest requirements are met be placed on the backlash-free of the gear.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt . F i g. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Schraubtrieb und , F i g. 2 eine entsprechende, schematisierte Draufsicht in vergrößertem Maßstab, die einige geometrische Beziehungen zwischen dem Ritzel und dem Schraubrad zeigt.The invention is explained in more detail with reference to the drawing in an exemplary embodiment. It shows . F i g. 1 shows a plan view of a screw drive according to the invention and , FIG. Figure 2 is a corresponding, diagrammatic plan view, on an enlarged scale, showing some geometrical relationships between the pinion and the helical gear.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Schraubtrieb 10 umfaßt ein Ritzel 12 und ein Schraubrad 14 mit stirnseitiger Verzahnung. Das Ritzel 12 ist auf einer Welle 16, das Schraubrad 14 auf einer Welle 18 befestigt. Das Ritzel 12 ist zylindrisch ausgebildet, und die Wellen 16 und 18 sind rechtwinklig zueinander angeordnet, ohne sich jedoch zu schneiden (genauer gesagt, schneiden sich die Mittelachsen der Zahnräder nicht, während die Durchmesser der Wellen an sich so groß sein könnten, daß sich die Verlängerungen der Wellen teilweise schneiden könnten). Wie man aus den Figuren erkennt, ist die Achse des Ritzels 12 gegenüber der Mittellinie des Schraubrades 14 versetzt. Ganz allgemein ist zu sagen, daß, je niedriger das übersetzungsverhältnis ist, desto näher das Ritzel an der Mittellinie des Schraubrades stehen muß; in jedem Falle ist jedoch das Ritzel nicht übermäßig weit von der Mittellinie abgesetzt; es befindet sich in der Nähe der sogenannten »Hypoid-Stellung«.The in the F i g. 1 and 2 shown screw drive 10 comprises a pinion 12 and a helical gear 14 with frontal teeth. The pinion 12 is fastened on a shaft 16 and the helical gear 14 is fastened on a shaft 18. The pinion 12 is cylindrical, and the shafts 16 and 18 are arranged at right angles to one another, but without intersecting (more precisely, the central axes of the gears do not intersect, while the diameters of the shafts themselves could be so large that the Could partially cut extensions of the shafts). As can be seen from the figures, the axis of the pinion 12 is offset from the center line of the helical gear 14. Generally speaking, the lower the gear ratio, the closer the pinion must be to the center line of the helical gear; in any case, however, the pinion is not set excessively far from the center line; it is located near the so-called "hypoid position".

Es wird zunächst von dem Ritzel ausgegangen, auf das alle Berechnungen bezogen sind. Bei dem vorliegenden Schraubtrieb wird zur Berechnung der Steigung folgende Formel verwendet: In dieser Formel bedeutet L die Steigung, K das Übersetzungsverhältnis, C den Abstand von der Mittellinie des Schraubrades (parallel zur Ritzelachse) bis zum Eingriffspunkt 19 des Getriebes (s. Fig. 2); x stellt den horizontalen Abstand vom Mittelpunkt des Schraubrades bis zum Eingriffspunkt 19 des Schraubrades längs der Ritzelachse dar, während y den Radius des Ritzels bezeichnet.The first step is to start with the pinion to which all calculations are based. The following formula is used to calculate the pitch for this screw drive: In this formula, L denotes the pitch, K the transmission ratio, C the distance from the center line of the helical gear (parallel to the pinion axis) to the point of engagement 19 of the gear (see FIG. 2); x represents the horizontal distance from the center of the helical gear to the point of engagement 19 of the helical gear along the pinion axis, while y denotes the radius of the pinion.

Das Ritzel ist zylindrisch ausgebildet, und seine Zähne weisen eine konstante Steigung auf. Das Profil dieser Zähne ist jedoch unsymmetrisch, insofern sich auf der einen Seite jedes Zahnes ein kleinerer und auf der anderen Seite ein größerer Eingriffswinkel befindet. Der große Eingriffswinkel 23 befindet sich auf der treibenden Flanke 20, während sich der kleinere Eingriffswinkel 25 auf der gegenüberliegenden Flanke 22 befindet. Der kleinere Eingriffswinkel wird zwischen 0 und 201 gewählt, während der größere Eingriffswinkel zwischen 20 und 401 liegen kann. Man beachte, daß die beiden vorstehend beschriebenen Eingriffswinkel bezüglich einer Geraden 24 gemessen wurden, die senkrecht auf der Ritzelachse steht. Andererseits liegt jedoch der insgesamt eingeschlossene Winkel symmetrisch zu einer Geraden 26, die nachstehend als Eingriffsgrenzlinie bezeichnet wird.The pinion is cylindrical and its teeth have a constant pitch. However, the profile of these teeth is asymmetrical, in that there is a smaller pressure angle on one side of each tooth and a larger pressure angle on the other. The large pressure angle 23 is located on the driving flank 20, while the smaller pressure angle 25 is located on the opposite flank 22. The smaller pressure angle is selected between 0 and 201, while the larger pressure angle can be between 20 and 401. It should be noted that the two pressure angles described above were measured with respect to a straight line 24 which is perpendicular to the pinion axis. On the other hand, however, the total included angle is symmetrical to a straight line 26, which is hereinafter referred to as the engagement limit line.

Wie man sieht, steht diese Eingriffsgrenzlinie 26 senkrecht auf einer Geraden 28, die sich von dem Schnittpunkt 30 der projizierten Ritzelachse mit einer Ebene, die die Schraubradachse umfaßt und senkrecht zur Ritzelachse steht, bis zum Schnittpunkt 32 der Eingriffsgrenzlinie 26 mit dem Umfang des Ritzels 12 erstreckt. Der letztgenannte Schnittpunkt 32 liegt in einer Axialebene des Ritzels, senkrecht zur Achse des Schraubrades.As can be seen, this line of engagement 26 is perpendicular to a straight line 28, which extends from the point of intersection 30 of the projected pinion axis with a plane that includes the helical gear axis and is perpendicular to the pinion axis, to the point of intersection 32 of the line of engagement 26 with the circumference of the pinion 12 extends. The last-mentioned point of intersection 32 lies in an axial plane of the pinion, perpendicular to the axis of the helical gear.

Es läßt sich durch eine ziemlich verwickelte mathematische Ableitung zeigen, daß ein schraubenföriniges Ritzel, dessen Steigung nach der vorstehend genannten Formel berechnet ist und das einen senkrecht zur vorgenannten Geraden 28 liegenden Axialprofilschnitt besitzt, bei seinem Eingriff ebenso wirkt wie ein Ritzel in einem üblichen parallelachsigen Getriebe mit einem Eingriffswinkel Null. Ritzelzähne, deren Eingriffswinkel symmetrisch zu der vorgenannten Eingriffsgrenzlinie liegen und von dieser um einen bestimmten Betrag abweichen, haben auf beiden Seiten die gleiche Eingriffswirkung.It can be shown by a rather complicated mathematical derivation that a helical pinion, the pitch of which is calculated according to the above formula and which has an axial profile section perpendicular to the aforementioned straight line 28 , acts just like a pinion in a conventional parallel-axis gearbox when it engages with a pressure angle of zero. Pinion teeth, the pressure angle of which is symmetrical to the aforementioned line of engagement and deviate from this by a certain amount, have the same engagement effect on both sides.

Ein Zahn des Schraubrades 14 ist bei 34 dargestellt, dessen radiale Stirnbreite durch die Linie 36 gegeben ist. Der Teilkreis 38 mit dem Radius 40 liegt stets in der inneren Hälfte der Zahnbreite, so daß sich auch der Eingriffspunkt 19 in der inneren Hälfte der Zahnfläche und am Außendurchmesser des Ritzels befindet. Der Eingriffspunkt kann in einem Bereich 21 liegen, der zwischen 10 und 551, gemessen gegenüber der Mittellinie des Schraubrades, liegt (s. F i g. 2).A tooth of the helical gear 14 is shown at 34, the radial face width of which is given by the line 36. The pitch circle 38 with the radius 40 is always in the inner half of the tooth width, so that the point of engagement 19 is also in the inner half of the tooth surface and on the outer diameter of the pinion. The point of engagement can lie in a region 21 which lies between 10 and 551, measured with respect to the center line of the helical gear (see FIG . 2).

Wie man aus der Zeichnung erkennt, sind die Zähne des Schraubrades in axialer Draufsicht konkav-konvex ausgebildet. Außerdem sind die Zähne so angeordnet, daß bei einer Drehung des Schraubrades in Richtung der konvexen Seite der Zähne die inneren Enden der Zähne vor den äußeren Enden voreilen.As you can see from the drawing, the teeth of the helical gear are concave-convex in axial plan view. In addition, the teeth are arranged in such a way that when the helical gear is rotated in the direction of the convex side of the teeth the inner ends of the teeth lead the outer ends.

Es wurde bereits bemerkt, daß das Ritzel um so näher an der Mittellinie des Schraubrades liegt, je niedriger das übersetzungsverhältnis ist. Es herrschen hier keine starren, unveränderlichen Zusammenhänge, die sich nicht in einem gewissen Ausmaße abändern ließen. Man kann jedoch sagen, daß sich bei der Zusammenstellung einer bestimmten Versetzung sowie bestimmter Durchmesser für das Ritzel und das Schraubrad ein Spiralwinkel für die Zähne des Schraubrades ergeben muß, der unterhalb 45' liegt; dieser Spiralwinkel liegt, wie man aus der Zeichnung erkennt, zwischen einem Radius 42 und einer durch den Schnittpunkt dieses Radius mit dem Teilkreis 38 verlaufenden Tangenten 44 an die Zahnflanke 34.It has already been noted that the pinion is thus closer to the center line of the screw gear, the lower the ratio is. There are no rigid, unchangeable relationships that cannot be changed to a certain extent. However, it can be said that when compiling a specific offset and specific diameter for the pinion and the helical gear, a helix angle for the teeth of the helical gear must result which is below 45 '; As can be seen from the drawing, this spiral angle lies between a radius 42 and a tangent 44 on the tooth flank 34, which extends through the point of intersection of this radius with the pitch circle 38.

Das Ritzel kann in üblicher Weise hergestellt werden, während das Schraubrad - wenigstens in einigen Fällen - mit einem dem Ritzel ähnlichen Wälzfräser hergestellt werden kann. Bei gewissen übersetzungsverhältnissen ist das Schleifen zwischen dem Ritzel und dem Schraubrad nur ganz schwach, so daß es sich eigentlich mehr um eine Abrollbewegung handelt. In solchen Fällen ist es nicht unbedingt erforderlich und vom Standpunkt der billigen Produktion gesehen, auch nicht wünschenswert, die Schraubräder zu fräsen. Statt dessen kann man ein Schraubrad als Original fräsen und dieses zur Herstellung einer Spritzform verwenden, in der dann weitere Schraubräder hergestellt werden.The pinion can be manufactured in a conventional manner, while the helical gear - at least in some cases - can be manufactured with a hob cutter similar to the pinion. With certain gear ratios, the grinding between the pinion and the helical gear is only very weak, so that it is actually more of a rolling movement. In such cases it is not absolutely necessary, and from the standpoint of cheap production, also undesirable to mill the helical gears. Instead, you can mill a helical gear as the original and use it to produce an injection mold in which further helical gears are then produced.

Wie bereits in der deutschen Patentschrift 1035 998 ausgeführt wurde, erfolgt bei den Schraubtrieben dieser Art eine Linienberührung über die ganze Zahnfläche hinweg. Dabei sind keinerlei Hinterschneidungen erforderlich, und es genügt ein zwischen Schraubrad und Ritzel gebrachter ölfilm, um eine ausgezeichnete Schmierwirkung zu erzielen. Die von der Spitze bis zur Wurzel jedes Zahnes reichende Linienberührung ist stets gleichzeitig bei mehreren Zähnen vorhanden. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Lauf ohne Unregelmäßigkeiten und eine außerordentliche Festigkeit des Getriebes. Diese Zahnräder lassen sich leicht ohne toten Gang zusammensetzen, was für viele Anwendungszwecke besonders vorteilhaft ist.As already stated in German patent specification 1035 998 , with screw drives of this type there is a line contact over the entire tooth surface. No undercuts whatsoever are required, and an oil film placed between the helical gear and the pinion is sufficient to achieve an excellent lubricating effect. The line contact that extends from the tip to the root of each tooth is always present in several teeth at the same time. This results in a smooth run without irregularities and an extraordinary strength of the gear. These gears can be easily put together without a backlash, which is particularly advantageous for many purposes.

Der Durchmesser eines Schraubrades gemäß der Erfindung kann bei gleicher Festigkeit und gleichem übersetzungsverhältnis kleiner gehalten werden als bei den üblichen Kegelradverzahnungen. Die Kraftübertragung zwischen den Zähnen des Ritzels und des Schraubrades ist wesentlich weicher und gewährleistet einen ruhigeren Lauf als bei Kegelrädern.The diameter of a helical gear according to the invention can be the same Strength and the same transmission ratio are kept lower than with the usual bevel gears. The transmission of power between the teeth of the pinion and the helical gear is much softer and ensures smoother running than with bevel gears.

Claims

Screw drive, consisting of a front-toothed helical gear and a cylindrical pinion meshing with it with teeth of constant pitch, the axis of rotation of which is offset from the center line of the helical gear, d a - characterized in that teeth of the cylindrical pinion (12), as known per se , have asymmetrical pressure angles (23,25), wherein the two pressure angles are symmetrical to an engagement boundary line (26) , which by projecting the engagement point (19) of the pinion located on the inner half of the tooth surface onto the circumference of the pinion on the remote from the helical gear axis Page passes and runs in the axial plane of the pinion perpendicular to the helical gear axis, furthermore the line of engagement is perpendicular to a straight line (28) which extends within the axial plane of the pinion through said projection and through the projected intersection of the pinion axis with the axial plane. of the helical gear is perpendicular to the pinion axis. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 343 104, 820 666, 1035 998; U.S. Patent Nos. 1192 227, 1683 758, 2311006.