DE4328280A1 - Worm gear pair - Google Patents

Worm gear pair

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Abstract

A worm gear pair consists of a worm of a hardened chromium-molybdenum steel, if desired with additions of vanadium and/or nickel, preferably of the steel material 42CrMo4 (hardened) and also of a worm wheel of grey cast iron or of cast iron containing spheroidal (nodular) graphite, preferably of the spheroidal-graphite-containing iron material GGG-40.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneckengetriebe mit Schnecke und Schneckenrad.The invention relates to a worm gear with a worm and worm wheel.

Schneckengetriebe sind in der Technik seit langem bekannt, wo sie sich viele Anwendungsgebiete erschlossen haben. Sie zeichnen sich aus durch einen geräuscharmen Lauf sowie durch die Möglichkeit, große Übersetzungen in nur einer Stufe zu realisieren.Worm gears have long been known in the art, where they have opened up many areas of application. she are characterized by a quiet running and by the ability to do large translations in just one stage realize.

Die nach dem Stand der Technik zur Leistungsübertragung ein­ gesetzten Schneckengetriebe bestehen zumeist aus einsatzge­ härteten und gegebenfalls geschliffenen Stahlschnecken und aus Bronze bestehenden Schneckenrädern. Räder aus Bronze weisen gegenüber anderen Radwerkstoffen besonders gute Ein­ laufeigenschaften auf, die den Abbau von Fertigungsungenau­ igkeiten sowie das Anpassen der Zahnflanken an wechselnde Betriebszustände begünstigen. Außerdem tritt bei Schnecken­ rädern aus Bronze praktisch kein Fressen auf. Bronze ist je­ doch etwa zehnmal teuerer als Stahl und weist gegenüber Stahlwerkstoffen deutlich geringere Festigkeitswerte auf, woraus sich für Bronze im Vergleich zu Stahlwerkstoffen ein erhöhter Verschleiß ergibt. In "Maschinenelemente", Band III, 2. Auflage (1986), Springer-Verlag, sind auf Seite 89 in Tafel 25/4 Werkstoff-Kennwerte für Schneckengetriebe mit unterschiedlichen Werkstoffpaarungen angegeben. Zu diesen Werkstoffpaarungen gehören auch Schnecken aus einsatzgehär­ tetem Stahl und Schneckenräder aus Grauguß (GG) und Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG). Die letztgenannten Werkstoffpaarun­ gen mit Schneckenrädern aus Grauguß bzw. aus Gußeisen mit Kugelgraphit werden als nur für kleine Gleitgeschwindigkei­ ten (Handbetrieb) gekennzeichnet. Aus dem Hinweis auf Hand­ betrieb folgt, daß sich diese bekannten Werkstoffpaarungen als für Leistungsgetriebe ungeeignet herausgestellt haben.The state of the art for power transmission set worm gears mostly consist of insert gears hardened and, if necessary, ground steel screws and bronze worm wheels. Bronze wheels are particularly good in comparison to other wheel materials running properties that reduce the manufacturing inaccuracies and adapting the tooth flanks to changing ones Favor operating conditions. It also occurs with snails wheels made of bronze practically no food. Bronze is ever yet about ten times more expensive than steel and points Steel materials have significantly lower strength values, what makes for bronze compared to steel materials increased wear results. In "machine elements", volume III, 2nd edition (1986), Springer-Verlag, are on page 89 in Table 25/4 material parameters for worm gear units with different material pairings specified. To this Material pairings also include worms made of mission-hardened material tetem steel and worm wheels made of gray cast iron (GG) and cast iron with spheroidal graphite (GGG). The latter pair of materials with worm wheels made of gray cast iron or cast iron Spheroidal graphite are considered only for small sliding speeds marked (manual operation). From the note on hand operation follows that these known material pairings have proven unsuitable for power transmission.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstoffpaarungen für Schneckengetriebe aufzufinden, welche außer zu Kosten­ vorteilen bei der Herstellung auch zu verlängerten Lebens­ dauern führen.The invention has for its object material combinations for worm gears to find which ones at cost Advantages in the production of extended life take lead.

Die Lebensdauer eines Schneckengetriebes wird in erster Li­ nie von der Freßtragfähigkeit sowie von der Verschleißtrag­ fähigkeit bestimmt.The service life of a worm gear is primarily Li never from the load bearing capacity as well as from the wear capacity ability determined.

Zur Abgrenzung der beiden Schadenarten Fressen und Ver­ schleiß wird in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung da­ von ausgegangen, daß das wesentliche Kennzeichen eines Freß­ schadens der plötzlich einsetzende Materialübertrag vom Partner mit örtlich geringerer Festigkeit auf den Partner mit örtlich höherer Festigkeit ist. Dieser Materialübertrag ist zudem durch einen Anstieg oder aber durch einen stark schwankenden Verlauf des Verlustgrades während des Fressens gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu ist Verschleiß ein konti­ nuierlicher Flankenabtrag vom weniger harten oder beiden Kontaktpartnern, bei welchem kein Anstieg des Verlustgrades festzustellen ist.To differentiate between the two types of damage: eating and ver Wear is there in the present description of the invention assumed that the essential characteristic of a feed the sudden transfer of material from Partner with less local strength on the partner with locally higher strength. This material transfer is also by an increase or by a strong fluctuating course of the degree of loss during feeding featured. In contrast, wear is a constant Nuclear flank removal from the less hard or both Contact partners with whom there is no increase in the degree of loss can be determined.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Schnecke einer der folgenden Vergütungs­ stähle nach DIN 17200:The above object is achieved according to the invention solved that for the snail one of the following remuneration steels according to DIN 17200:

34Cr4; 25CrMo4; 34CrMo4; 42CrMo4; 50CrMo4; 30CrMoV9; 36CrNiMo4; 34CrNiMo6 und 30CrNiMo834Cr4; 25CrMo4; 34CrMo4; 42CrMo4; 50CrMo4; 30CrMoV9; 36CrNiMo4; 34CrNiMo6 and 30CrNiMo8

im vergüteten Zustand verwendet wird und daß für das Schneckenrad einer der folgenden Grauguß-Werkstoffe nach DIN 1691:used in the tempered state and that for that Worm gear of one of the following gray cast iron materials according to DIN 1691:

GG-25; GG-30; GG-35 und GG-40GG-25; GG-30; GG-35 and GG-40

oder einer der folgenden Sphäroguß-Werkstoffe nach DIN 1693:or one of the following ductile iron materials according to DIN 1693:

GGG-38; GGG-40; GGG-42 und GGG-50GGG-38; GGG-40; GGG-42 and GGG-50

verwendet wird.is used.

Besonders gute Ergebnisse werden mit einer Werkstoffpaarung erzielt, welche aus einer vergüteten Stahlschnecke aus dem Werkstoff 42CrMo4 und einem Schneckenrad aus dem Sphäroguß- Werkstoff GGG-40 besteht.Particularly good results are obtained with a pair of materials achieved, which from a tempered steel screw from the Material 42CrMo4 and a worm wheel made of nodular cast iron Material GGG-40 is made.

Als Schmierstoff bevorzugt wird ein handelsübliches Getriebe­ öl mit hoher EP-Additivierung auf Basis Polyglykol mit einer kinematischen Viskosität ν₄₀ von 460 mm²/s und einer kinema­ tischen Viskosität ν100 von 82 mm²/s sowie einer Einordnung bezüglich Freßtragfähigkeit in die Klasse GL5 der API-Klassifikation (API = American Petroleum Institute).Preferred as a lubricant is a commercially available gear oil with high EP additives based on polyglycol with a kinematic viscosity ν₄₀ of 460 mm² / s and a kinematic viscosity ν 100 of 82 mm² / s as well as a classification in terms of load bearing capacity in class GL5 of the API Classification (API = American Petroleum Institute).

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen sowie Vergleichsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:The invention is described below with reference to exemplary embodiments play as well as comparative examples and with reference to the Drawing described in more detail. In this shows:

Fig. 1 ein Kennfeld des Flankenabtrages pro Lastspiel für eine vergütete Schnecke aus dem Werkstoff 42CrMo4 und ein Rad aus dem Werkstoff GGG-40, Fig. 1 is a characteristic diagram of the Flankenabtrages per duty cycle for an annealed screw from the material 42CrMo4 and a wheel of the material GGG-40,

Fig. 2 zum Vergleich ein Kennfeld des Flankenabtrages pro Lastspiel für eine einsatzgehärtete Schnecke aus dem Werkstoff 16MnCr5 und ein Rad aus der Bronze CuSn12Ni und Fig. 2 for comparison a map of the flank removal per load cycle for a case-hardened screw made of the material 16MnCr5 and a wheel made of bronze CuSn12Ni and

Fig. 3 ein graphisches Schaubild, in welchem für eine Viel­ zahl von Werkstoffpaarungen die Freßtragfähigkeit in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl sowie vom Ab­ triebsmoment angegeben ist. Fig. 3 is a graphical diagram in which for a lot of material pairings the bearing capacity depending on the drive speed and from the torque is specified.

Die untersuchten Schnecken- und Schneckenradwerkstoffe sind in der folgenden Tafel 1 zusammen mit ihren Härte-, Dichte- und E-Modulwerten angegeben.The worm and worm gear materials examined are in the following table 1 together with their hardness, density and modulus values are given.

Tabelle 1 Table 1

Bei den Versuchen wurde wie folgt verfahren:The test was carried out as follows:

Ein Versuch bestand nach Einstellung des bestmöglichen Trag­ bildes aus einer bis zum Eintritt eines Schadens fortgesetz­ ten Folge von einzelnen Versuchsläufen bei unterschiedlichen Laststufen, wobei die Zeitdauer eines Versuchslaufes auf 20 h festgelegt wurde. In der ersten Laststufe betrug das Ab­ triebsdrehmoment T₂ 200 Nm, bei jeder weiteren Laststufe wurde T₂ um 50 Nm bzw. 100 Nm gesteigert.An attempt was made after setting the best possible wear picture from a law that continues until damage occurs sequence of individual test runs in different Load levels, the duration of a test run being 20  h was set. In the first load stage the Ab was drive torque T₂ 200 Nm at each additional load level T₂ was increased by 50 Nm or 100 Nm.

Nach jedem Versuchslauf wurde das Schneckenrad zur Bestim­ mung des Verschleißes ausgebaut. Der Verschleiß wurde je­ weils durch Wägung des Schneckenrades mittels einer Präzi­ sionswaage ermittelt. Da der gemessene Verschleiß sich aus dem Lastanpassungsverschleiß und dem normalen Betriebsver­ schleiß zusammensetzt, wurde in der Regel bei jeder zweiten Laststufe der Versuch bei dieser Laststufe so lange wieder­ holt, bis sich ein konstanter Verschleißbetrag (Betriebsver­ schleiß) ergab. Auf diese Weise konnte der Lastanpassungs­ verschleiß für die Auswertung weitgehend eliminiert werden. Verschleiß an der Schnecke trat wegen des wesentlich härte­ ren Schneckenwerkstoffes nur in sehr geringem Maße auf und wurde deshalb nicht ermittelt.After each trial run, the worm wheel became the best Wear removed. The wear was ever because by weighing the worm wheel using a precision sions balance determined. Because the measured wear out load adjustment wear and normal operating ver wear, was usually every second Load level try again at this load level for so long catches up until a constant amount of wear (operating ver wear) resulted. This way the load adjustment wear for the evaluation can be largely eliminated. Wear on the screw occurred because of the much harder only a very small amount on and was therefore not determined.

Die Versuche wurden sämtlich bei Einspritzschmierung und einer Öleinspritztemperatur von 80°C durchgeführt.The tests were all carried out with injection lubrication and an oil injection temperature of 80 ° C.

Der Betriebsverschleiß (mg/h), der an verschiedenen Werk­ stoffen ermittelt worden ist, kann nicht zu einem direkten Vergleich herangezogen werden, wenn die Werkstoffe unter­ schiedliche Dichten aufweisen. So beträgt die Dichte der un­ tersuchten Bronze CuSn12Ni 8,8 kg/dm³, wohingegen die Dichte des untersuchten Werkstoffes 42CrMo4 7,8 kg/dm³ beträgt. Der Betriebsverschleiß konnte jedoch über die Flankenfläche und Werkstoffdichte sowie die Antriebsdrehzahl in einen Flanken­ abtrag δNL je Lastspiel, d. h. in einen Schichtdickenabtrag umgerechnet werden, welcher somit unabhängig vom jeweiligen Werkstoff ist. Die Fig. 1 und 2 zeigen für die Werkstoff­ paarungen 42CrMo4/GGG-40 (Fig. 1) bzw. 16MnCr5/CuSn12Ni (Fig. 2) Kennfelder der so ermittelten Flankenabträge, je­ weils bei Schmierung mit den für die jeweilige Werkstoffpaa­ rung am besten geeigneten Schmierstoff, welcher durch Vor­ versuche bestimmt worden war.The operating wear (mg / h), which has been determined on different materials, cannot be used for a direct comparison if the materials have different densities. The density of the investigated bronze CuSn12Ni is 8.8 kg / dm³, whereas the density of the investigated material 42CrMo4 is 7.8 kg / dm³. However, the operational wear could be converted into a flank removal δ NL per load cycle via the flank surface and material density as well as the drive speed, ie into a layer thickness reduction, which is therefore independent of the respective material. Figs. 1 and 2 show for the material pairings 42CrMo4 / GGG-40 (Fig. 1) or 16MnCr5 / CuSn12Ni (Fig. 2) maps the Flankenabträge thus determined, depending weils for lubrication with the tion for the respective Werkstoffpaa best suitable lubricant, which had been determined by preliminary tests.

Das in Fig. 1 dargestellte Kennfeld betrifft ein erfindungs­ gemäßes Schneckengetriebe mit einer Schnecke aus dem vergü­ teten Stahlwerkstoff 42CrMo4 und einem Rad aus dem Sphäro­ guß-Werkstoff GGG-40. Demgegenüber betrifft das Kennfeld ge­ mäß Fig. 2 eine nicht erfindungsgemäße Werkstoffpaarung mit einer Schnecke aus einem einsatzgehärteten Stahl (16MnCr5) und einem Bronzerad (GZ-CuSn12Ni). In den Fig. 1 und 2 sind jeweils graphisch aufgetragen die Antriebsdrehzahl n₁, das Abtriebsmoment T₂ sowie der Flankenabtrag (logarith­ misch).The map shown in Fig. 1 relates to a fiction, according worm gear with a worm from the vergue ended steel material 42CrMo4 and a wheel from the spheroidal cast material GGG-40. In contrast, the map ge according to FIG. 2 relates to a material pairing not according to the invention with a worm made of case-hardened steel (16MnCr5) and a bronze wheel (GZ-CuSn12Ni). In Figs. 1 and 2, the drive speed are respectively plotted n₁, the output torque of T₂ and the Flankenabtrag (logarithmic mixed).

Aus den Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß für beide Werkstoff/Schmierstoff-Kombinationen bei allen Antriebsdreh­ zahlen der Flankenabtrag pro Lastspiel (LS) mit steigender Belastung zunimmt. Der quantitative Vergleich der Kennfelder gemäß Fig. 1 und 2 zeigt, daß Räder aus GGG-40 im Zusam­ menwirken mit einer Schnecke aus 42CrMo4 teilweise deutlich niedrigere Flankenabträge aufweisen als Bronzeräder im Zu­ sammenwirken mit einer Schnecke aus einem einsatzgehärteten Stahlwerkstoff gemäß Fig. 2. Bei Rädern aus GGG-40 fällt der Flankenabtrag mit zunehmender Antriebsdrehzahl zunächst ab, um jedoch dann ab Antriebsdrehzahlen von 500 min-1 wieder anzusteigen. Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 macht deut­ lich, daß der Flankenabtrag, d. h. der Betriebsverschleiß bei der erfindungsgemäßen Werkstoffpaarung (Fig. 1) praktisch bei allen Betriebsbedingungen weitaus niedriger ist als bei der Vergleichs-Werkstoffpaarung gemäß Fig. 2.From Figs. 1 and 2 it can be seen that for both material / lubricant combinations at all drive speeds the flank ablation per load cycle (LS) increases with increasing load. The quantitative comparison of the maps according to FIGS. 1 and 2 shows that wheels made of GGG-40 in cooperation with a worm made of 42CrMo4 sometimes have significantly lower flank abrasion than bronze wheels in cooperation with a worm made of a case-hardened steel material according to FIG. 2 GGG-40 wheels initially reduce the flank abrasion with increasing drive speed, but then increase again from drive speed of 500 min -1 . A comparison of FIGS. 1 and 2 makes it clear that the flank removal, ie the operational wear in the material pairing according to the invention ( FIG. 1) is practically lower in all operating conditions than in the comparison material pairing according to FIG. 2.

Die Ergebnisse der Freßtragfähigkeituntersuchungen sind in Fig. 3 dargestellt.The results of the load bearing capacity tests are shown in FIG. 3.

Fig. 3 gestattet einen Vergleich der Freßtragfähigkeit der erfindungsgemäßen Werkstoffpaarung [ Schnecke 42CrMo4, (vergütet) / Rad GGG-40] mit anderen, nicht erfindungsge­ mäßen Werkstoffpaarungen. Für diese Vergleichsversuche wurde eine Schnecke aus dem einsatzgehärteten Stahlwerkstoff 16MnCr5 mit Rädern aus GGG-40, GGG-60, GG-25 sowie 42CrMo4 kombiniert. Ferner enthält Fig. 3 das Katalogmoment gemäß der Firmenschrift "MUTAX-Schneckenradsätze" TGW Thyssen Nr. 1-750. Dieses Katalogmoment wurde ermittelt an einer Schnecke aus dem einsatzgehärteten Stahlwerkstoff 16MnCr5 in Kombination mit einem Bronzerad GZ-CuSn12Ni. Fig. 3 allows a comparison of the load bearing capacity of the material pairing according to the invention [screw 42CrMo4, (tempered) / wheel GGG-40] with other material pairings not according to the invention. For these comparative tests, a worm made of the case-hardened steel material 16MnCr5 was combined with wheels made of GGG-40, GGG-60, GG-25 and 42CrMo4. Further, FIG. 3 includes the catalog torque according to the company publication "MUTAX worm and" TGW Thyssen no. 1-750. This catalog moment was determined on a worm made of case-hardened steel material 16MnCr5 in combination with a bronze wheel GZ-CuSn12Ni.

Wie Fig. 3 zeigt, nimmt die Freßtragfähigkeit bei Schmierung mit dem Öl S3/460 mit zunehmender Antriebsdrehzahl n₁ bei allen untersuchten Werkstoffkombinationen ab. Von Bedeutung ist, daß die höchsten Freßtragfähigkeiten gemäß Fig. 3 mit der erfindungsgemäßen Werkstoffkombination erreicht werden, also mit einer Schnecke aus 42CrMo4 (vergütet) und Rädern aus GGG-40. Die an dieser erfindungsgemäßen Werkstoffkombi­ nation ermittelten Freßtragfähigkeiten liegen weit über dem Katalogmoment für Bronzeräder. Vergleichsweise hohe Freß­ tragfähigkeiten wurden auch mit einsatzgehärteten Schnecken und Rädern aus GGG-40 bzw. GGG-25 erzielt. Auch hier ergaben sich, insbesondere bei niedrigeren Schneckendrehzahlen, gro­ ße Sicherheitsabstände zum Katalogmoment. Hingegen fielen Räder aus GGG-60 bzw. aus 42CrNo4 schon bei Belastungen un­ terhalb des Katalogmomentes durch Fressen aus.As shown in Fig. 3, the seizure capacity with lubrication with the oil S3 / 460 decreases with increasing drive speed n 1 in all investigated material combinations. It is important that the highest seizure capacities according to FIG. 3 are achieved with the material combination according to the invention, i.e. with a worm made of 42CrMo4 (hardened and tempered) and wheels made of GGG-40. The load carrying capacities determined on this material combination according to the invention are far above the catalog moment for bronze wheels. Comparatively high feeding capacities were also achieved with case-hardened worms and wheels made of GGG-40 and GGG-25. Here, too, there were large safety clearances from the catalog torque, especially at lower screw speeds. On the other hand, wheels made of GGG-60 or 42CrNo4 failed due to seizure even under loads below the catalog torque.

Bei dem vorstehend erwähnten Schmierstoff S3/460 handelt es sich um ein handelsübliche Getriebeöl. Es handelt sich dabei um ein Polyglykol mit einer hochlegierten EP-Additivierung. Die kinematische Viskosität ν₄₀ dieses Getriebeöls beläuft sich auf 40 mm²/s, und die kinematische Viskosität ν100 die­ ses Getriebeöls beträgt 82 mm²/s. Ferner ist dieses Getrie­ beöl bezüglich Freßtragfähigkeit eingeordnet in die Klasse GL5 der API-Klassifikation (American Petroleum Institute).The S3 / 460 lubricant mentioned above is a commercially available gear oil. It is a polyglycol with a high-alloy EP additive. The kinematic viscosity ν₄₀ of this gear oil is 40 mm² / s, and the kinematic viscosity ν 100 of this gear oil is 82 mm² / s. Furthermore, this gear oil is classified in the GL5 class of the API classification (American Petroleum Institute) with regard to load bearing capacity.

Claims (3)

1. Schneckengetriebe mit Schnecke und Schneckenrad, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schnecke einer der folgenden Vergütungsstähle (nach DIN 17200): 34Cr4; 25CrMo4; 34CrMo4; 42CrMo4; 50CrMo4; 30CrMoV9; 36CrNiMo4; 34CrNiMo6 und 30CrNiMo8im vergüteten Zustand verwendet wird und daß für das Schneckenrad einer der folgenden Grauguß-Werkstoffe (nach DIN 1691)GG-25; GG-30; GG-35 und GG-40oder einer der folgenden Sphäroguß-Werkstoffe (nach DIN 1693)GGG-38; GGG-40; GGG-42 und GGG-50verwendet wird.1. worm gear with worm and worm wheel, characterized in that for the worm one of the following tempering steels (according to DIN 17200): 34Cr4; 25CrMo4; 34CrMo4; 42CrMo4; 50CrMo4; 30CrMoV9; 36CrNiMo4; 34CrNiMo6 and 30CrNiMo8 is used in the tempered state and that one of the following gray cast iron materials (according to DIN 1691) GG-25; GG-30; GG-35 and GG-40 or one of the following nodular cast iron materials (according to DIN 1693) GGG-38; GGG-40; GGG-42 and GGG-50 is used. 2. Schneckengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schnecke aus dem vergüteten Stahlwerkstoff 42CrMo4 und das Schneckenrad aus dem Sphäroguß-Werkstoff GGG-40 besteht.2. Worm gear according to claim 1, characterized net that the screw from the tempered steel material 42CrMo4 and the worm wheel made of nodular cast iron GGG-40 exists. 3. Verwendung des Schneckengetriebes nach Anspruch 1 oder 2 mit einem handelsüblichen Getriebeöl mit hoher EP-Additivierung auf Basis Polyglykol mit einer Einord­ nung bezüglich Freßtragfähigkeit in die Klasse GL5 der API-Klassifikation.3. Use of the worm gear according to claim 1 or 2 with a commercially available gear oil with high EP additive based on polyglycol with one class in terms of eating capacity in the GL5 class API classification.
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