DE1300395B

DE1300395B - Backlash-free rack and pinion drive

Info

Publication number: DE1300395B
Application number: DE1967S0113299
Authority: DE
Inventors: Wentzel; Dipl-Ing Peter; Waldkircher Ferdinand
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-12-14
Filing date: 1967-12-14
Publication date: 1969-07-31

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen spielfreien Zahnstangentrieb, bei dem die Verzahnungen eines Ritzels und einer Zahnstange unter Federdruck radial zur Ritzelachse ineinandergreifen.The invention relates to a backlash-free rack and pinion drive, in which the teeth of a pinion and a rack are radially under spring pressure mesh with the pinion axis.

Ein Zahnstangentrieb dient dazu, eine Umsetzung zwischen einer Drehbewegung und einer linearen Bewegung vorzunehmen. Soll dabei eine genaue Positionierung erfolgen, so sind Lagefehler, wie sie durch das Zahnflankenspiel zweier ineinandergreifender Verzahnungen normalerweise auftreten, unerwünscht. Ein Beispiel dafür ist das Einstellen eines Magnetkopfes auf eine bestimmte Aufzeichnungsspur eines Magnetplattenspeichers. Es sind bereits spielfreie Zähnstangentriebe bekannt, bei denen statt eines Ritzels zwei Ritzel auf der gleichen Welle nebeneinander angeordnet sind und durch Federn gegeneinander verdreht werden, so daß auf benachbarte Zahnflanken der Zahnstange gleichzeitig ein Druck ausgeübt wird. Eine derartige Anordnung hat den Nachteil, daß sie sich nur zur übertragung verhältnismäßig kleiner Kräfte eignet. Große Kräfte bedingen nämlich eine starke Federvorspannung und damit auch einen hohen Verschleiß an der Verzahnung. Hinzu kommt noch der weitere Nachteil, daß durch die eingebauten Federn die Gefahr für das Auftreten von Regelschwingungen vergrößert wird.A rack and pinion drive is used to convert between a rotary movement and make a linear movement. If precise positioning is to be carried out, so are positional errors, as they are caused by the backlash of two interlocking Serrations normally occur undesirably. One example of this is hiring a magnetic head to a specific recording track of a magnetic disk memory. There are already backlash-free rack drives known in which instead of a pinion two pinions on the same shaft are arranged next to each other and by springs are rotated against each other, so that on adjacent tooth flanks of the rack pressure is exerted at the same time. Such an arrangement has the disadvantage that it is only suitable for the transmission of relatively small forces. Great powers namely require a strong spring preload and thus a high level of wear on the toothing. There is also the further disadvantage that the built-in Springs the risk of the occurrence of control oscillations is increased.

Sollen größere Kräfte spielfrei in einem Zahnstangentrieb übertragen werden, so ist es demgegenüber allgemein üblich, das Ritzel und die Zahnstange gegeneinanderzudrücken und das form-und kraftschlüssige Ineinandergreifen der beiden Verzahnungen auf diese Weise zu erreichen. So ist beispielsweise eine Anordnung bekannt, bei der die Zahnstange an ihrem einen Ende drehbar gelagert ist und durch eine auf das andere Ende einwirkende Feder gegen das Ritzel gedrückt wird. Dabei wird sich einmal ein neuerliches Spiel durch die drehbare Lagerung der Zahnstange nie ganz vermeiden lassen, und zum anderen ist die zwischen Zahnstange und Ritzel wirksame Andruckkraft bereits durch den unterschiedlich langen Hebelarm für die Federkraft sehr stark von der Stellung des Ritäels an der Zahnstange abhängig. Hinzu kommt noch der weitere Nachteil, daß jede Zahnstange unter dem Druck des Ritzels einer mehr oder minder starken Durchbiegung unterworfen ist, was zu weiteren Unregelmäßigkeiten der Andruckkraft über die Länge der Zahnstange führt. Gegen dieses Durchbiegen der Zahnstange sind zwar ebenfalls bereits Maßnahmen bekannt, sie haben aber wiederum den Nachteil, daß der Gesamtaufwand beträchtlich erhöht wird. Das ist beispielsweise bei der Lösung der Fall, bei der parallel zum Ritzel auf der gegenüberliegenden Seite der Zahnstange eine zusätzliche Andruckrolle mitgeführt wird.Should larger forces be transmitted in a rack and pinion drive without backlash on the other hand, it is common practice to press the pinion and the rack against each other and the positive and non-positive interlocking of the two gears on them Way to achieve. For example, an arrangement is known in which the rack is rotatably mounted at one end and by one acting on the other end Spring is pressed against the pinion. There will be another game The rotatable mounting of the rack can never be completely avoided, and on the other hand the pressure force effective between the rack and pinion is already different due to the long lever arm for the spring force very much depends on the position of the ritael on the Rack dependent. There is also the further disadvantage that each rack subjected to a more or less strong deflection under the pressure of the pinion is what leads to further irregularities in the pressure force along the length of the rack leads. Measures have already been taken against this bending of the rack known, but they again have the disadvantage that the total cost is considerable is increased. This is the case, for example, with the solution in which parallel to Pinion on the opposite side of the rack has an additional pressure roller is carried.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile einen spielfreien Zahnstangentrieb zu schaffen, der trotz eines möglichst einfachen Aufbaues auch bei verhältnismäßig großen Kräften nur einem geringen Verschleiß unterliegt.The invention is based on the object while avoiding the above Disadvantages of creating a backlash-free rack and pinion drive that is possible despite one simple structure, even with relatively large forces, only little wear and tear subject.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Federn zwischen den beiden Enden der Zahnstange und einem Führungsschlitten angeordnet sind, um die Zahnstange während des gesamten Bewegungsablaufs mit nahezu konstant bleibender Kraft gegen das Ritzel zu drücken.This object is achieved in that springs between the two ends of the rack and a guide carriage are arranged to the rack remains almost constant throughout the entire sequence of movements Force to push against the pinion.

Um unter dem Einfluß der Zahnstangendurch-Biegung zusätzliche Zugkräfte auf die Zahnstange zu vermeiden, zeichnet sich eine weitere Ausbildung der Erfindung dadurch aus, daß die Federn an den beiden Enden der Zahnstange als Blattfedern ausgebildet sind, von denen die eine abgewinkelt ist.To get additional tensile forces under the influence of the bending of the rack To avoid the rack, is another embodiment of the invention characterized in that the springs at the two ends of the rack are designed as leaf springs one of which is angled.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der spielfreie Zahnstangentrieb trotz der hohen Anforderungen einen besonders einfachen Aufbau erhält. Da die erfindungsgemäße Aufhängung der Zahnstange mit wachsender Druckkraft zwischen dem Ritzel und der Zahnstange ein zunehmendes Ausweichen der Zahnstange ermöglicht, ist diese Anordnung besonders günstig, sobald ein weiches übergangsverhalten gefordert ist.The advantages achieved with the invention are in particular: that the backlash-free rack and pinion drive is a special one despite the high demands simple construction. Since the inventive suspension of the rack with increasing Pressure force between the pinion and the rack an increasing evasion of the Allows rack, this arrangement is particularly favorable as soon as a soft transition behavior is required.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen erfindungsgemäßen spielfreien Zahnstangentrieb in vereinfachter Darstellung, F i g. 2 den zugehörigen Verlauf der zwischen Ritzel und Zahnstange herrschenden Druckkraft in Abhängigkeit vom jeweiligen Druckpunkt.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. It shows F i g. 1 an inventive Backlash-free rack and pinion drive in a simplified representation, F i g. 2 the associated Course of the pressure force between the pinion and the rack as a function from the respective pressure point.

Der in F i g. 1 dargestellte spielfreie Zahnstangentrieb ist so zu verstehen, daß das Ritzel 1 eine räumlich feststehende Achse 2 besitzt, die beispielsweise mit der Achse des Antriebsmotors identisch ist, und daß bei einer Drehung des Ritzels 1 die Zahnstange 3 durch das Eingreifen der Ritzelverzahnung 4 in der Zahnstangenverzahnung 5 je nach dem Drehsinn des Ritzels 1 hin- oder herbewegt wird. Um zwischen der Ritzelverzahnung 4 und der Zahnstangenverzahnung 5 jegliches Spiel zu vermeiden, wird die Zahnstange 3 durch je eine Feder 6 bzw. 7 an jedem ihrer beiden Enden gegen das Ritzel 1 gedrückt. Die beiden Federn 6 und 7 sind als Blattfedern ausgebildet, mit dem einen Ende fest mit der Zahnstange 3 verbunden und mit dem anderen Ende in einem Führungsschlitten S eingespannt, der zum Führen der hin und her zu bewegenden Zahnstange 3 und einer beliebigen Nutzlast dient. Dadurch, daß die eine der beiden Blattfedern, die Feder 7, etwa in der Mitte rechtwinklig abgewinkelt ist, werden zusätzliche Zugkräfte auf die Zahnstange vermieden.The in F i g. 1 illustrated backlash-free rack and pinion drive is so too understand that the pinion 1 has a spatially fixed axis 2, for example is identical to the axis of the drive motor, and that when the pinion rotates 1 the rack 3 by the engagement of the pinion teeth 4 in the rack teeth 5 is moved to or fro depending on the direction of rotation of the pinion 1. To between the pinion teeth 4 and the rack teeth 5 to avoid any play, the rack 3 pressed against the pinion 1 by a spring 6 or 7 at each of its two ends. The two springs 6 and 7 are designed as leaf springs with one end fixed connected to the rack 3 and at the other end in a guide carriage S clamped for guiding the rack 3 to be moved back and forth and one serves any payload. Because one of the two leaf springs, the spring 7, angled approximately in the middle at right angles, there are additional tensile forces avoided on the rack.

In F i g. 2 ist die zwischen dem Ritzel 1 und der Zahnstange 3 herrschende Druckkraft P als Funktion des jeweiligen Ortes s auf der Zahnstange 3 für drei unterschiedliche Betrachtungsfälle aufgetragen. Die Kurve I würde man erhalten, wenn die Zahnstange 3 an ihren beiden Enden starr gelagert wäre; die Druckkraft P würde dann infolge des Durchbiegens der Zahnstange 3 bis zur Mitte 1/2 der Zahnstange 3 bis auf den Wert P1 absinken und danach zum anderen Ende hin wieder auf den Ausgangswert P, ansteigen. Eine entsprechende Änderung der Druckkraft P, nur mit umgekehrten Vorzeichen, würde sich im anderen Extremfall ergeben, wenn man bei der Zahnstange 3 jegliche Durchbiegung ausschließt und sie beiderseits mit je einer Feder mit gleicher Federkraft lagert. Die Druckkraft P würde dann, wie in Kurve II dargestellt, bis zur Mitte 1/2 der Zahnstange 3 bis auf den Wert P, ansteigen und danach zum anderen Ende hin wieder auf den Ausgangswert P3 abfallen. Beide Effekte lassen sich so aufeinander abstimmen, daß die Druckkraft P zwischen dem Ritzel 1 und der Zahnstange 3 über die ganze Zahnstange 3 hinweg konstant bleibt (Kurve III); man muß dazu den Querschnitt und den Elastizitätsmodul der Zahnstange 3 derart bemessen, daß der von der Durchbiegung der Zahnstange 3 herrührende Abfall der Druckkraft P zur Mitte der Zahnstange hin jeweils durch den Anstieg der von den Federn herrührenden Druckkraft P ausgeglichen wird.In Fig. 2 is that prevailing between the pinion 1 and the rack 3 Pressure force P as a function of the respective location s on the rack 3 for three different Consideration cases applied. The curve I would be obtained if the rack 3 would be rigidly mounted at both ends; the compressive force P would then as a result the bending of the rack 3 up to the middle 1/2 of the rack 3 up to the Value P1 decrease and then towards the other end back to the initial value P, increase. A corresponding change in the compressive force P, only with the opposite sign, would result in the other extreme case, if you have any Excludes deflection and they both sides with a spring with the same spring force stores. The compressive force P would then, as shown in curve II, up to the middle 1/2 of the rack 3 up to the value P, and then to the other end fall back to the initial value P3. Both effects can be related to each other agree that the compressive force P between the pinion 1 and the rack 3 over the entire rack 3 remains constant (curve III); you have to have the cross-section and the modulus of elasticity of the rack 3 such that the from the deflection of the rack 3 resulting decrease in the compressive force P towards the center the rack by the increase in the compressive force from the springs P is balanced.

Claims

Claims: 1. Backlash-free rack and pinion drive in which the teeth of a pinion and a rack mesh under spring pressure radially to the pinion axis, characterized in that springs (6,7) are arranged between the two ends of the rack (3) and a guide carriage (8) to press the rack against the pinion (1) with an almost constant force during the entire sequence of movements.

2. Rack and pinion drive according to claim 1, characterized in that the springs (6,7) at the two ends of the rack (3) are designed as leaf springs, one of which is angled.