DE4328280C2 - worm gear - Google Patents

worm gear

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Description

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

Schneckengetriebe sind in der Technik seit langem bekannt, wo sie sich viele Anwen­ dungsgebiete erschlossen haben. Sie zeichnen sich aus durch einen geräuscharmen Lauf sowie durch die Möglichkeit, große Übersetzungen in nur einer Stufe zu realisieren.Worm gearboxes have long been known in technology where they are widely used development areas. They are characterized by a low-noise Run as well as the possibility of realizing large translations in just one step.

Die nach dem Stand der Technik zur Leistungsübertragung eingesetzten Schneckenge­ triebe bestehen zumeist aus einsatzgehärteten und gegebenenfalls geschliffenen Stahl­ schnecken und aus Bronze bestehenden Schneckenrädern. Räder aus Bronze weisen gegenüber anderen Radwerkstoffen besonders gute Einlaufeigenschaften auf, die den Abbau von Fertigungsungenauigkeiten sowie das Anpassen der Zahnflanken an wech­ selnde Betriebszustände begünstigen. Außerdem tritt bei Schneckenrädern aus Bronze praktisch kein Fressen auf. Bronze ist jedoch 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 "Maschinen­ elemente", 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 einsatzge­ härtetem Stahl und Schneckenräder aus Grauguß (GG) und Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG). Die letztgenannten Werkstoffpaarungen mit Schneckenrädern aus Grauguß bzw. aus Gußeisen mit Kugelgraphit werden als nur für kleine Gleitgeschwindigkeiten (Hand­ betrieb) gekennzeichnet. Aus dem Hinweis auf Handbetrieb folgt, daß sich diese be­ kannten Werkstoffpaarungen als für Leistungsgetriebe ungeeignet herausgestellt haben.The worm gear used for power transmission according to the state of the art The drives mostly consist of case-hardened and possibly ground steel snails and bronze worm wheels. Bronze wheels show compared to other wheel materials, particularly good running-in properties that the Reduction of manufacturing inaccuracies and the adaptation of the tooth flanks to favoring stagnant operating conditions. Also occurs with bronze worm gears practically no food. However, bronze is about ten times more expensive than steel and exhibits compared to steel materials, significantly lower strength values, which results in Bronze results in increased wear compared to steel materials. In "machines elements ", Volume III, 2nd edition (1986), Springer-Verlag, are on page 89 in Table 25/4 Material properties for worm gears with different material combinations specified. These material pairings also include worms made from operational ge hardened steel and worm wheels made of gray cast iron (GG) and cast iron with nodular graphite (GGG). The latter material pairings with worm wheels made of gray cast iron or from spheroidal graphite cast iron are considered only for low sliding speeds (hand operation). From the reference to manual operation it follows that these be Known material combinations as unsuitable for power transmissions.

Die Veröffentlichung Langenbeck, E. Düser, P. Widmann, J. Greiner, H. Leibold: "Unter­ suchungen zur Werkstoffwahl bei Schneckengetrieben" in Antriebstechnik, Band 29 (1990), Nr. 3, Seiten 61 bis 63, betrifft die Paarung einsatzgehärtete Schne­ cke/einsatzgehärtetes Schneckenrad. Diese Werkstoffpaarung ist mit einer Verzah­ nungsgeometrie dahin gehend optimiert worden, dass das Getriebe ausschließlich im hydrodynamischen Bereich läuft und einen Betrieb im Mischreibungsgebiet nicht zulässt.The publication Langenbeck, E. Düser, P. Widmann, J. Greiner, H. Leibold: "Unter Searches for the choice of materials for worm gears "in Drive Technology, Volume 29 (1990), No. 3, pages 61 to 63, relates to the pairing of case-hardened blades cke / case hardened worm wheel. This material pairing is with one tooth The geometry has been optimized so that the gearbox is only in the  hydrodynamic range runs and does not allow operation in the mixed friction area.

Die Veröffentlichung Hachenberg, K., H. Kowalke, J. M. Motz, K. Röhrig, W. Stiefer, H. P. Staudinger, P. Tölke, H. Werning, D. B. Wolters: "Duktiles Gußeisen, Gußeisen mit Ku­ gelgraphit", Düsseldorf: Zentrale Gußverwendung, Nachdruck aus "konstruieren + gie­ ßen", Band 13 (1988), Nr. 1, Seiten 62, 63, betrifft lediglich aus Gußeisen hergestellte Räder in Stirnradgetrieben, nicht jedoch in Schneckengetrieben.The publication Hachenberg, K., H. Kowalke, J.M. Motz, K. Röhrig, W. Stiefer, H. P. Staudinger, P. Tölke, H. Werning, D. B. Wolters: "Ductile cast iron, cast iron with Ku gelgraphit ", Düsseldorf: Central casting use, reprint from" construct + gie ßen ", Volume 13 (1988), No. 1, pages 62, 63, relates only to cast iron Wheels in helical gear units, but not in worm gear units.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstoffpaarungen für Schneckengetriebe aufzufinden, welche außer zu Kostenvorteilen bei der Herstellung auch zu verlängerten Lebensdauern führen.The invention has for its object material combinations for worm gears to find out which ones to extend in addition to cost advantages in the manufacture Lead lifetimes.

Die Lebensdauer eines Schneckengetriebes wird in erster Linie von der Freßtragfähigkeit sowie von der Verschleißtragfähigkeit bestimmt.The lifespan of a worm gear is primarily determined by the load bearing capacity as well as determined by the wear resistance.

Zur Abgrenzung der beiden Schadenarten Fressen und Verschleiß wird in der vorliegen­ den Erfindungsbeschreibung davon ausgegangen, daß das wesentliche Kennzeichen eines Freßschadens der plötzlich einsetzende Materialübertrag vom Partner mit örtlich geringerer Festigkeit auf den Partner mit örtlich höherer Festigkeit ist. Dieser Material­ übertrag ist zudem durch einen Anstieg oder aber durch einen stark schwankenden Ver­ lauf des Verlustgrades während des Fressens gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu ist Verschleiß ein kontinuierlicher Flankenabtrag vom weniger harten oder beiden Kontakt­ partnern, bei welchem kein Anstieg des Verlustgrades festzustellen ist.In order to differentiate between the two types of damage: the description of the invention assumed that the essential characteristic a feeding damage the sudden onset of material transfer from the partner with local lower strength on the partner with locally higher strength. This material Transfer is also due to an increase or a strongly fluctuating Ver marked the degree of loss during feeding. In contrast to that Wear a continuous flank removal from less hard or both contact partners for whom there is no increase in the degree of loss.

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 achieved with a material combination which consists of a hardened steel worm made of 42CrMo4 and a worm wheel the ductile iron material GGG-40.

Als Schmierstoff bevorzugt wird ein handelsübliche Getriebeöl mit hoher EP-Additivie­ rung auf Basis Polyglykol mit einer kinematischen Viskosität ν40 von 460 mm2/s und ei­ ner kinematischen Viskosität ν100 von 82 mm2/s sowie einer Einordnung bezüglich Freßtragfähigkeit in die Klasse GL5 der API-Klassifikation (API = American Petroleum Institute). The preferred lubricant is a commercially available gear oil with high EP additives based on polyglycol with a kinematic viscosity ν 40 of 460 mm 2 / s and a kinematic viscosity ν 100 of 82 mm 2 / s as well as a classification with regard to load bearing capacity in the class GL5 the API classification (API = American Petroleum Institute).

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schneckengetriebe gemäß Anspruch 1 gelöst.The above object is achieved by a worm gear solved according to claim 1.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie Vergleichs­ beispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:The invention is described below on the basis of exemplary embodiments and comparisons examples and described in more detail with reference to the drawing. 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 einsatz­ gehärtete 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 Vielzahl von Werkstoffpaarun­ gen die Freßtragfähigkeit in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl sowie vom Abtriebsmoment angegeben ist. Fig. 3 is a graphical diagram in which for a variety of material pairing conditions the load bearing capacity is specified as a function of the input speed and the output torque.

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.

Tafel 1 Plate 1

Bei den Versuchen wurde wie folgt verfahren:
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.
The test was carried out as follows:
After setting the best possible contact pattern, a test consisted of a sequence of individual test runs at different load levels that continued until damage occurred, the duration of a test run being set at 20 hours. In the first load stage, the output torque T 2 was 200 Nm, with each further load stage T 2 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 test 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 wear 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 can be largely eliminated for the evaluation. 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 dem für die jeweilige Werkstoffpaarung 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 / dm 3 , whereas the density of the investigated material 42CrMo4 is 7.8 kg / dm 3 . The operational wear could, however, be converted into a flank abrasion δ NL per load cycle via the flank surface and material density as well as the drive speed, ie into a layer thickness erosion, 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 best for the particular combination of materials suitable Lubricant that 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 combination 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 n is 1, the output torque T 2 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 removal 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 42CrMo4 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 for 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, that is to say with a worm made of 42CrMo4 (tempered) and wheels made of GGG-40. The load carrying capacities determined on this material combination nation according to the invention lie 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 42CrMo4 failed due to seizure even under loads below the catalog torque.

Bei dem vorstehend erwähnten Schmierstoff S3/460 handelt es sich um ein handelsübliches 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 lubricant S3 / 460 mentioned above is a commercially available gear oil. It is a polyglycol with a high-alloy EP additive. The kinematic viscosity ν 40 of this gear oil is 40 mm 2 / s, and the kinematic viscosity ν 100 of this gear oil is 82 mm 2 / 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 (2)

1. Schneckengetriebe zur Leistungsübertragung 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 30CrNiMo8
im 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-40
oder einer der folgenden Sphäroguß-Werkstoffe (nach DIN 1693):
GGG-38; GGG-40; GGG-42 und GGG-50
gemeinsam mit einem Getriebeöl mit hoher EP-Additivie­ rung auf Basis Polyglykol mit einer Einordnung bezüglich Freßtragfähigkeit in die Klasse GL5 der API-Klassifikation verwendet wird.
1. worm gear for power transmission 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
used in tempered condition and that one of the following gray cast iron materials (according to DIN 1691) is used for the worm wheel:
GG-25; GG-30; GG-35 and GG-40
or one of the following ductile iron materials (according to DIN 1693):
GGG-38; GGG-40; GGG-42 and GGG-50
is used together with a gear oil with high EP additives based on polyglycol with a classification with regard to load bearing capacity in class GL5 of the API classification.
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.
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