DE60034590T2

DE60034590T2 - Doppelflanken-schneckenmechanismus

Info

Publication number: DE60034590T2
Application number: DE60034590T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Sanford BUCHOLZ; David E. Freeland KING; Thomas A. Bridgeport BARRETT; Sergio Retamero; Kevin P. Bay City MOORE
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: EP1238208A2; US6776064B2; EP1238208A4; JP2003524741A; WO2001042683A2; WO2001042683A3; US20010029800A1; DE60034590D1; EP1238208B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die Beseitigung von Spiel in Schneckenradanordnungen und insbesondere die Beseitigung von Spiel in einer Schnecken-/Schneckenradanordnung durch die Verwendung eines Doppelflankenkontakts, der zwischen einem Schneckenrad und einer Schnecke aufrechterhalten wird, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 21.
HINTERGRUND
Zahnradanordnungen weisen typischerweise ein antreibbares Zahnrad (z.B. ein Schneckenrad) auf, in das ein Ritzel eingreift (z.B. eine Schnecke). Um eine Relativbewegung zwischen dem antreibbaren Zahnrad und dem Ritzel zu erlauben, sollte ein Spielraum zwischen den Zähnen des antreibbaren Zahnrades und den Zähnen des Ritzels aufrechterhalten werden, wenn die zwei Zahnräder in Eingriff stehen. Dieser Spielraum ist als Spiel bekannt. Bei einer Zahnradanordnung ohne Spiel wird das Kämmen der Zähne zwischen den Zahnrädern so eng sein, dass ohne Durchbiegung der Zähne die Zahnräder klemmen und bewirken, dass die Zahnradanordnung hängenbleibt. Bei einem Zahnradsystem mit irgendeinem Grad von Spiel wird jedoch durch die Bewegung der Zähne eines Zahnrads über anwendbares Spiel und in Kontakt mit den Zähnen des anderen Zahnrads ein hörbares Geräusch erzeugt.
Bei einer Schnecken-/Schneckenradanordnung greift eine Schnecke in ein Schneckenrad ein und treibt es an. Sowohl die Schneckenräder als auch die Schnecken sind typischerweise aus Metall hergestellt und derart ausgestaltet, dass die Zähne der Schnecke mit den durch die Zähne des Schneckenrades gebildeten Räumen ausgerichtet sind. Die Zähne der Schnecke sind gewöhnlich mit von den Zähnen des Schneckenrades gebildeten Räumen derart ausgerichtet, dass ein Spielraum beim Kämmen der Zähne jedes Zahnrades besteht. Darüber hinaus greift wegen der Unflexibilität der metallischen Zähne, der planaren Flächen der Flanken und der Notwendigkeit, einen Spielraum aufrechtzuerhalten, eine Flankenfläche jedes Zahns des Ritzels in eine Flankenfläche jedes Zahns des angetriebenen Zahnrades ein, so dass sich ein Einflankenkontakt ergibt. Systeme, die Einflankenkontakt anwenden, verwenden typischerweise einen Kontaktbereich, der gleichmäßig über die Flächen der in Eingriff stehenden Flanken verteilt ist. Der gleichmäßig verteilte Kontaktbereich ist in Verbindung mit dem Spielraum zwischen den in Eingriff stehenden Zähnen ein Faktor, der zu dem hörbaren Geräusch beiträgt, das während des Antriebs des Schneckenrades durch die Schnecke erzeugt wird, insbesondere in Perioden, wenn die Drehrichtung der Schnecke umgekehrt wird, um die Drehrichtung des Schneckenrades umzukehren. Ein solches Geräusch, das zwar nicht einen Defekt in der Schnecken-/Schneckenradanordnung angibt, erweist sich dennoch allgemein als unerwünscht, besonders wenn die Schnecken-/Schneckenradanordnung innerhalb des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Die Reduzierung von Spiel und die Minimierung von Geräusch sind im verwandten Stand der Technik durch die Verwendung von geschlitzten Zahnrädern gelöst worden, die typischerweise zwei Zahnradhälften aufweisen, die nebeneinander angebracht sind, und wobei jede Hälfte mehrere Zähne umfasst. Eine Feder ist zwischen jeder Zahnradhälfte positioniert, um jede Zahnradhälfte in entgegengesetzten Drehrichtungen vorzuspannen. Die entgegengesetzten Drehrichtungen bewirken, dass ein Flankenflächenkontakt zwischen einem Zahn an einer der Zahnradhälften und einem Zahn eines Zahnrades aufrechterhalten wird, mit welchem das ge schlitzte Zahnrad in Kontakt ist, während gleichzeitig die Aufrechterhaltung des Flankenflächenkontakts zwischen dem ausgerichteten Zahn an der anderen der Zahnradhälften und einer gegenüberliegenden Flankenfläche des Zahns des Zahnrades bewirkt wird, mit welchem das geschlitzte Zahnrad in Kontakt ist. Eine solche Struktur ermöglicht, dass Doppelflankenflächenkontakt zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen in einem Zahnradsatz aufrechterhalten wird, was Spiel in dem Zahnradsatz reduziert oder beseitigt, wodurch Geräusch minimiert wird. Wegen der Spannung an der Feder bleiben jedoch die Kontaktkraft und die Größe des Kontaktbereichs, der durch die Zähne des geschlitzten Zahnrades an den aufeinanderfolgenden Zähnen des Zahnrades aufrechterhalten wird, mit welchem das geschlitzte Zahnrad in Kontakt steht, unabhängig von der dem Zahnradsatz auferlegten Last konstant. Konstante Kraft und Kontaktbereichgröße bewirken, dass der Kontaktdruck variiert, wodurch bewirkt wird, dass konstante Reibungskräfte von den Zahnradflankenflächen erfahren werden, wenn die Last variiert. Solche konstanten Reibungskräfte bewirken wiederum eine konstante Leistungsverschlechterung innerhalb des Zahnradsatzes.
Die US-Patentschrift Nr. 3,176,534 (Rice et al.) „Worm and Wheel Unit" ist auf eine Metallschnecke gerichtet, die mit Zähnen kämmt, die in ein Kunststoffrad durch Drehung der Schnecke selbst geprägt sind, zur Handdrehung der Schnecke beim Feinabstimmen von Kondensatoren und Synchros. Die Zähne werden durch Verschiebung von Material gebildet und nicht durch dessen Entfernung nach Techniken aus dem Stand der Technik. Das Prägen wird durch Verwendung der Schnecke selbst erreicht, die zum Anlegen gegen das Rad gebracht und dann gedreht wird. Das Schneckengewinde presst sein Bild an dem Rad ein, und die Drehung der Schnecke schiebt das Rad vor, um diesen Eindruck um den gesamten Umfang aufzubringen.
Ebenso ist die US-Patentschrift 3,122,938 (Visser) „Anti-backlash Gear and Gear Combination" auf Instrumentenzahnräder und ähnliche gerichtet, wo eine Präzisionswellendrehung von erheblicher Bedeutung ist, und wo die von Zahnrädern getragenen Drehmomente relativ klein sind; Spiel in den Zahnrädern bewirkt, dass ungewollte Fehler in der Wellendrehung erscheinen. Das Verfahren umfasst starre Zähne, die sich von einer federnden Nabe oder einem elastischen Steg erstrecken. Die Zähne des Schneckenrades sind durch eine Presspassung in die Schnecke festgekeilt. Die Federbelastung des Stegs bewirkt dessen Schmierung, um die Achse der Schneckenradwelle normal zu der Achse der Schnecke zu halten.
Die naheliegendsten Dokumente aus dem Stand der Technik, die US-Patentschriften Nr. 2,935,887 und 3,386,305 (Wildhaber) sind beide auf das Schneiden einer Schneckenverzahnung gerichtet und offenbaren ensprechende gekrümmt geformte Zähne, die nicht in Doppelflankenkontakt stehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Nach der vorliegenden Erfindung sind eine Schnecken-/Schneckenradanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Beseitigung von Spiel in einem Zahnradsystem nach Anspruch 21 vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Schnecken-/Schneckenradanordnung eine Metallschnecke und ein Schneckenrad auf, das aus einem federnden Material hergestellt ist. Die Schnecke und das Schneckenrad werden derart in Druckeingriff gehalten, dass dazwischen bei Kleinlast- und Leerlaufbedingungen Doppelflankenkontakt gehalten wird. Eine Verwendung einer solchen Anordnung liegt in der Drehmomentverstärkung an der Lenksäule eines Lenkverstärkungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die Drehmomentverstärkung wird unter Verwendung eines Antriebsmotors und einer Handlenkvorrichtung bewirkt, die in mechanischer Verbindung mit der Schnecken-/Schneckenradanordnung gehalten wird. Die Handlenkvorrichtung, über welche Bedienereingänge von dem Lenkverstärkungssystem empfangen werden, ist typischerweise ein Handlenkrad. Die Bedienereingänge werden über Drehmoment- und Positionssensoren in elektronischer Verbindung mit dem Lenkverstärkungssystem erfasst. Der richtige Betrag an Drehmomentverstärkung wird dann auf die Schnecken/Schneckenradanordnung über den Antriebsmotor aufgebracht, um bei der Drehung der Lenksäule zu helfen.
Die Schnecken-/Schneckenradanordnung weist eine Schnecke mit Zähnen auf, die durch wenigstens ein daran angeordnetes Gewinde gebildet sind, und ein Schneckenrad mit flexiblen und ununterbrochenen Zähnen, die von einer Fläche davon vorstehen. Die Schnecke und das Schneckenrad stehen miteinander in Eingriff und in Druckbeziehung zueinander, so dass gegenüberliegende Flanken der Zähne jeweils miteinander in Eingriff stehen. Gegenüberliegende Flanken jedes Zahns sind typischerweise gekrümmt ausgebildet. Werden die gegenüberliegenden Flanken eines Zahns der Schnecke dazu gebracht, an den zugewandten Flanken von zwei aufeinanderfolgenden Zähnen des Schneckenrades anzugreifen, dann ergibt sich „Doppelflankenkontakt". Bei Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen wird der Kontakt zwischen den Flankenflächen an den gegenüberliegenden Außenkanten der Zähne des Schneckenrades aufrechterhalten. Bei Bedingungen mäßiger Last erstreckt sich der Kontakt zwischen den Flankenflächen von den gegenüberliegenden Außenkanten der Zähne zum Zentrum der Zähne des Schneckenrades. Wenigstens die Schnecke oder das Schneckenrad sind aus einem federnden Material wie einem Polyamid hergestellt, um Flexibilität zwischen den Zähnen der Schnecke und dem Schneckenrad während des Doppelflankenkontakts zuzulassen. Die Flan kenflächen jedes der Zähne und des Zahnrades sind angrenzend, so dass eine ununterbrochene Grenze für ein an der Anordnung aufgebrachtes Schmiermittel vorgesehen ist.
Ein Verfahren zur Beseitigung von Spiel in einem Zahnradsystem umfasst, dass die Schnecke in mechanische Verbindung mit dem Schneckenrad gepresst wird, so dass sich Doppelflankenkontakt ergibt. Der Doppelflankenkontakt wird an den gegenüberliegenden Kanten jedes der aufeinanderfolgenden Schneckenradzähne und folglich der Scheckenzähne während Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen aufrechterhalten und erstreckt sich zum Zentrum jedes der aufeinanderfolgenden Schneckenradzähne und folglich der Schneckenzähne bei Bedingungen mäßiger Last. Die Belastung des Schneckenrades zum Bewirken des Druckeingriffs umfasst typischerweise die Abstimmung der Schnecke mit dem Schneckenrad, um die effizienteste Kombination für die optimale Leistung der Schnecken/ Schneckenradanodnung zu erreichen.
Ein Verfahren zum Übertragen der Erfassungen von Schwankungen in einer Straßenoberfläche, über welche ein Kraftfahrzeug mit der eingebauten Schnecken-/Schneckenradanordnung fährt, umfasst das Anordnen der Schnecke in einer flexiblen Beziehung mit dem Schneckenrad, Anbringen der Schnecken-/Schneckenradanordnung in einem Lenkverstärkungssystem, Manövrieren des Kraftfahrzeugs über die Straßenoberfläche und Erfassen von Schwankungen in der Straßenobefläche über eine Lenkvorrichtung, die in mechanischer Verbindung mit dem Lenkverstärkungssystem angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Seitenansicht einer Schnecken-/Schneckenradanordnung in Druckeingriff.
2 ist eine Draufsicht der Zähne eines Schneckenrades und des Raums dazwischen.
3 ist eine Draufsicht eines Zahns einer Schnecke in Eingriff mit einem Schneckenrad.
4A ist eine Draufsicht eines Zahns eines Schneckenrades, die einen Kontaktflecken zeigt, der aus einer auferlegten Kleinlast- oder Leerlaufbedingung stammt.
4B ist eine Draufsicht eines Zahns eines Schneckenrades, die einen Kontaktflecken zeigt, der aus einer auferlegten Bedingung mäßiger Last stammt; und
5 ist eine Draufsicht eines Zahns einer Schnecke, der zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen eines Schneckenrades angeordnet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezug auf 1 ist allgemein bei 10 eine Schnecken-/Schneckenradanordnung gezeigt. Die Schnecken-/Schneckenradarodnung 10 ist richtungsmäßig reversibel und weist eine Schnecke, die allgemein bei 12 gezeigt ist, und ein Schneckenrad auf, das allgemein bei 14 gezeigt ist, die derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die Zähne jeweils (unten beschrieben) in einer gegenseitig kämmenden Doppelflankenkontaktbeziehung angeordnet sind. Die Schnecke 12 wird an ihren Enden gestützt und ist derart angebracht, dass sie eine Längsdrehachse 16 entlang eines Abschnitts davon bildet. Das Schneckenrad 14 umfasst einen Körperabschnitt 18, der an seinem geometrischen Zentrum angebracht ist und gestützt wird, um eine Drehachse 20 dort hindurch zu bilden. In der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 ist die Drehachse 20 im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse 16.
Die Schnecke 12 umfasst wenigstens ein kontinuierliches Gewinde, das um einen Körperabschnitt 22 angeordnet ist, um mehrere Zähne zu bil den, die allgemein bei 24 gezeigt sind, während das Schneckenrad 14 mehrere Zähne aufweist, die allgemein bei 26 gezeigt sind und von einer Kante vorstehen, um mehrere Räume 28 zu bilden. Obwohl das Schneckenrad 14 im folgenden als aus dem federnden Material hergestellt bezeichnet ist, versteht sich, dass die Schnecke 12 oder das Schneckenrad 14 oder beide aus einem federnden Material hergestellt sein können, um das Beugen der Zähne 24, 26 bezüglich der Schnecke 12 oder des Schneckenrades 14 während des Betriebs der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 zu erleichtern. Das federnde Material, aus dem die Schnecke 12 oder das Schneckenrad 14 hergestellt ist, kann ein Polyamid sein. Insbesondere kann das federnde Material ein Nylon sein.
Unter Bezug auf 2 sind zwei Zähne 2 des Schneckenrades 14 und der dazwischen gebildete Raum 28 gezeigt. Jeder Zahn 26 ist angrenzend mit dem Körperabschnitt 18 ausgebildet und weist gegenüberliegende Flanken auf, die allgemein bei 30a und 30b gezeigt sind und sich von dem Körperabschnitt 18 weg erstrecken, und einen Scheitel 34, der sich zwischen den Flanken 30a, 30b jedes Zahns 26 an distalsten Punkten von dem Körperabschnitt 18 erstreckt. Weil das Schneckenrad 14 schraubenförmig geschaffen ist, ist ein Schrägungswinkel α durch die das Gewinde bildenden Zähne und den Körperabschnitt 18 definiert.
Jede gegenüberliegende Flanke 30a, 30b ist gekrümmt ausgebildet und relativ zu ihrem entsprechenden Zahn 26 konkav orientiert. Die Oberfläche jeder Flanke 30a, 30b ist ununterbrochen und weist nach außen wirkende Abschnitte 38 (erster Ort) und einen zentralen Abschnitt 40 (zweiter Ort) auf, der zwischen den nach außen wirkenden Abschnitten angeordnet ist. Die nach außen wirkenden Abschnitte 38 entsprechen den Abschnitten der Flanken 30a, 30b, die an den Außenkanten des Schneckenrades 14 positioniert sind, und dienen als Kontaktflächen für die Flanken der Zähne der Schnecke, wenn das Schneckenrad 14 mit der Schnecke in Eingriff steht.
Unter Bezug auf 3 ist der Zahn 24 der Schnecke 12 gezeigt. Der Zahn 24 ist wie die Zähne des Schneckenrades angrenzend mit dem Körperabschnitt 22 ausgebildet und weist gegenüberliegende Flanken auf, die allgemein bei 42a und 42b gezeigt sind und sich von dem Körperabschnitt 22 weg erstrecken, und einen Scheitel 44, der sich zwischen jeder Flanke 42a, 42b an Punkten distal von dem Körperabschnitt 22 erstreckt. Weil die Schnecke 12 schraubenförmig geschaffen ist, ist ein Schrägungswinkel zwischen den das Gewinde bildenden Zähnen 24 und dem Körperabschnitt 22 definiert. Der Schrägungswinkel minus 90° ist der Steigungswinkel β, der typischerweise weniger als der Schrägungswinkel des Schneckenrades ist, so daß ein Spalt zwischen den Zähnen des Schneckenrades und den Zähnen 24 der Schnecke 12 gebildet ist, wenn die Schnecke 12 und das Schneckenrad miteinander kämmen, um die Zähne der Schnecke 12 an die nach außen wirkenden Abschnitte 38 der Zähne 26 zu zwingen.
Jede gegenüberliegende Flanke 42a, 42b ist gekrümmt ausgebildet und konvex relativ zu ihrem entsprechenden Zahn 24 orientiert. Auf eine Weise ähnlich wie bei dem Schneckenrad ist jede Flanke 42a, 42b ununterbrochen und weist nach außen wirkende Abschnitte 48 und einen zentralen Abschnitt 50 auf, der zwischen den nach außen wirkenden Abschnitten 48 angeordnet ist. Die nach außen wirkenden Abschnitte 48 entsprechen den Abschnitten der Flanken 42, 42b, die an den Außenkanten der Schnecke 12 positioniert sind, und dienen als Kontaktflächen für die Flanken der Zähne des Schneckenrades, wenn die Schnecke 12 drückend an dem Schneckenrad angreift.
Unter Bezug auf 1, 2, 3 ist Spiel in der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 beseitigt, wenn sowohl die Schnecke 12 als auch das Schneckenrad 14 richtig miteinander in Druckeingriff stehen. Während des richtigen Druckeingriffs, der typischerweise etwa 50 Mikron bis etwa 100 Mikron beträgt, sind die Zähne 26 der Schnecke 14 flexibel relativ zu den Zähnen 24 der Schnecke 12. Diese Flexibilität ist eine Funktion der Federung, die durch die Beschaffenheit des Herstellungsmaterials des Schneckenrades 14 und die den Zähnen 26 zugeordnete Federkonstante definiert ist. Die Federkonstante ist wiederum eine Funktion der Architektur des Zahns 26, die wenigstens teilweise durch die Konkavität der Flanken 30a, 30b und die schraubenförmige Orientierung des Gewindes definiert sein kann. Die speziell beteiligten Geometrien bewirken, dass die Federkonstante variabel ist, sie nimmt bei Durchbiegung des Zahns 26 auf glatte Weise zu und ab. Wegen solcher Flexibilität kann Kontakt zwischen den nach außen wirkenden Abschnitten 48 der Zähne 24 der Schnecke und den nach außen wirkenden Abschnitten 38 der Zähne 26 des Schneckenrades 14 bei Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen ohne Klemmen aufrechterhalten werden. Ein solcher Kontakt wird im folgenden als „Doppelflanken"-Kontakt bezeichnet. Obwohl Doppelflankenkontakt normalerweise dazu führen würde, dass die Zahnräder hängenbleiben oder klemmen, wenn beide Zahnräder aus Metall oder einem anderen im wesentlichen unflexiblen Material hergestellt sind, ermöglicht der Doppelflankenkontakt bei der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 wegen der Federung des Herstellungsmaterials und der Federkonstante 26 selbst, dass die Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 ohne Hängenbleiben oder Klemmen funktioniert.
Indem der Doppelflankenkontakt bei Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen aufrechterhalten wird, kann die Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 derart betrieben werden, dass wirksam ein hörbares Geräusch und eine Rückkopplung aufgrund einer Drehumkehrung der Schnecke 12 beseitigt werden kann, um das Schneckenrad 14 in einer entgegengesetzten Richtung anzutreiben. Bei der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 erfordert eine solche Operation nicht den Kontakt von zwei nicht in Kontakt stehenden Zähnen, was ansonsten Geräusch erzeugen würde. Ohne Doppelflankenkontakt bewirkt eine Umkehrung der Drehung der Schnecke 12 zum Antreiben des Schneckenrades 14 in einer entgegengesetzten Richtung, dass sich die Schneckenzähne durch den Spielraum bewegen und dann eine gegenüberliegende Flankenfläche des Schneckenrades 14 kontaktieren, woraus sich ein hörbares Geräusch und eine Verwindungsrückkopplung ergibt, die zu dem Bediener des Kraftfahrzeugs durch die Lenkvorrichtung übertragen wird. Jede Verwindungsrückkopplung, die im wesentlichen eine dem System auferlegte „Stoßbelastung" ist, erregt alle Frequenzen des Systems und wird deshalb vergrößert. Die oben diskutierte Veränderlichkeit der Federkraft aufgrund des Herstellungsmaterials sowie der Zahnarchitektur wirkt als ein Stoßdämpfer und macht die Verwindungsrückkopplung transparent für den Bediener. Außerdem ermöglicht die Flexibilität des Materials, dass nur ein minimaler Betrag an Drehmoment innerhalb der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 vorliegt, was wiederum ermöglicht, dass das Straßengefühl von dem Bediener des Kraftfahrzeugs erfasst werden kann.
Eine Art des Aufrechterhaltens des Doppelflankenkontakts zwischen den Zähnen 24, 26 der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 kann durch die Veränderung der Winkel α, β der Schnecke 12 und des Schneckenrads 14 erreicht werden. Eine solche Veränderung der Winkel α, β ermöglicht, dass ein Kontakt an zugewandten Flanken der Zähne 26 des Schneckenrades 14 aufrechterhalten wird, wenn keine zusätzliche Torsionslast der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 auferlegt wird. Die Veränderung der Winkel α, β kann durch Änderung der Abmessungen und Positionierung der Zähne 24, 26 erreicht werden, oder sie kann erreicht werden, indem die Drehachsen 16, 20 der Schnecke 12 oder des Schneckengetriebes 14 oder von beiden schräg gestellt werden. Der resultierende Doppelflankenkontakt ermöglicht eine glatte Kraftübertragung zwischen der Schnecke 12 und dem Schneckenrad 14, einen glatten Übergang zwischen Federkonstanten und einen minimalen Betrag an Drehmoment.
Unabhängig von der Art der Aufrechterhaltung des Doppelflankenkontakts zwischen den Zähnen 24, 26 ist die Architektur und Materialkonstruktion des Schneckenrades 14 derart, dass dann, wenn die darauf ausgeübte Last erhöht wird und die Durchbiegung des Kontaktbereichs jedes Zahns in Eingriff zunimmt, die Federkonstante des Schneckenrades 14 glatt zunimmt. Die Last auf die Zähne 26 wird darauf entweder über die Flanke 30a oder die Flanke 30b abgegeben. Die Geometrie der Zähne 26 ermöglicht, dass die Zähne 26 strukturell flexibel sind, mit einer zunehmenden Federkonstante proportional zu der Durchbiegung. Unter Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen wird der Doppelflankenkontakt nur an den Außenabschnitten 38 der Flanken 30a, 30b aufrechterhalten. Die Zähne 26 sind in der Nähe der Kleinlast- und Leerlaufkontaktbereiche im wesentlichen flexibel, weil die Federkonstante bei niedrigen Durchbiegungswinkeln niedrig ist. Unter Bedingungen mäßiger Last nimmt die Federkonstante aufgrund höherer Durchbiegung zu, und die Grenzen der Flexibilität der Zähne 26 sind fast erreicht. Die höhere Federkonstante ermöglicht, dass das Zahnrad die höhere aufgebrachte Last tragen kann, und der glatte Übergang vermeidet Geräusch und unerwünschte Rückkopplung in der Handlenkvorrichtung. Zusätzlich zu der höheren Federkonstante des Materials des Schneckenrades 14 mit höherer Durchbiegung dehnt sich der Kontaktbereich aus, um beim Tragen der höheren Last zu helfen.
Unter Bezug auf 4A und 4B ist das Kontaktmuster zwischen den Zähnen 24 der Schnecke 12 und den Zähnen 26 des Schneckenrades 14 unter den verschiedenen Lastbedingungen veranschaulicht. In 4A sind Kontaktpunkte zwischen den Zähnen der Schnecke und Zähnen 26 des Schneckenrads 14 als Kontaktmuster 52 gezeigt. Der Flexibilitätsgrad des Zahns 26 ermöglicht die Erstellung von Kontaktmustern 52. Unter Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen greifen zwei Zähne der Schnecke an dem Zahn 26 des Schneckenrades 14 nur an zwei gegenüberliegenden Außenabschnitten 38 des Zahns 26 an. Aufeinanderfolgende Zähne des Schneckenrades 14 stehen ähnlich mit zwei aufeinanderfolgenden Zähne der Schnecke in Eingriff, um den Doppelflankenkontakt aufrechtzuerhalten. Wie oben festgestellt, kollidieren während einer Umkehrung der Richtung der Schnecken-/Schneckenradanordnungen und unter einer Kleinlast- oder Leerlaufbedingung, weil Kontakt zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen der Schnecke und des Schneckenrades 14 aufrechterhalten wird, die Zähne der Schnecke nicht mit den Zähnen 26 des Schneckenrades 14; sie stehen bereits in Kontakt miteinander.
In 4B erstrecken sich die Kontaktmuster 52 von den zwei gegenüberliegenden Außenabschnitten 38 des Zahns 26 des Schneckenrades 14 zu den innersten Abschnitten des Zahns 26 des Schneckenrades 14 und geben den Betrieb der Schnecken-/Schneckenradanordnung unter einer Bedingung mäßiger Last an. Es sei bemerkt, dass die Flankenflächen ununterbrochen und kontinuierlich sind, so daß die Übertragung von lediglich Außenkontakt zu mehr Innenkontakt ohne Geräusch und Rückkopplung erreicht ist, was mit unterbrochenen oder mehrfachen Flächen in Verbindung steht. Unter einer solchen Bedingung stehen aufeinanderfolgende Zähne des Schneckenrades 14 ähnlich in Eingriff mit zwei aufeinanderfolgenden Zähnen oder werden „gequetscht", um den Doppelflankenkontakt aufrechtzuerhalten. Weil die mäßige Belastung der Schne cken-/Schneckenradanordnung die auf die Schnecke und das Schneckenrad 14 ausgeübte Last erhöht, erstrecken sich die Kontaktmuster 52 von den äußersten Kanten der Außenabschnitte 38 zu den zentralen Abschnitten 50. Unter der Bedingung moderater Last können aufeinanderfolgende Zähne des Schneckenrades 14 jedoch nur an einer einzigen Flanke in Eingriff stehen, wodurch Einflankenkontakt zwischen der Schnecke und dem Schneckenrad 14 aufrechterhalten wird. Während einer Umkehrung der Richtung der Schnecken-/Schneckenradanordnung unter mäßiger Belastung, bei welcher nur Einflankenkontakt aufrechterhalten wird, kollidieren, weil kein Doppelflankenkontakt zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen der Schnecke und des Schneckenrades 14 aufrechterhalten wird, die Zähne der Schnecke mit den Zähnen 26 des Scheckenrades 14 und erzeugen ein hörbares Geräusch.
Indem das Auftreten von Doppelflankenkontakt in einem Zahnradsatz mit wenigstens einem Zahnrad bewirkt wird, das aus einem federnden Material hergestellt ist, wird in Verbindung mit den hier offenbarten Zahnradgeometrien das Drehmoment auf einem Minimum gehalten, Rattern innerhalb der Schnecken-/Schneckenradanordnung ist minimiert, und der Zahnradsatz ist hörbar leise. Durch die Lieferung aller drei Attribute ist die Leistung eines Zahnradsatzs verbessert, und es ist ein deutlicher Nutzen für den Stand der Technik vorgesehen.
Es sei bemerkt, dass die Schnecken-/Schneckenradanordnung zwar derart beschrieben worden ist, dass sie Leerlauf- oder Kleinlastsituationen außen an den Schnecken- und Schneckenradzähnen trägt, es aber möglich ist, eine Doppelflankenkontaktsystem mit einem Zahnrad aus federndem Material zu konstruieren, wo Kleinlast- oder Leerlaufsitationen am Zentrum (erster Ort) der Schnecken- und Schneckenradzähne getragen werden, wobei Situationen höherer Last außen getragen werden (zweiter Ort). Um die gewünschten Ziele von niedrigem Drehmoment, keinem Rattern und keinem Geräusch in einem solchen System zu erreichen, würde der Zentralbereich jedes Zahns an der Schnecke und dem Schneckenrad eine anfänglich niedrigere Federkonstante haben, die mit Durchbiegung zunimmt, und der Außenabschnitt würde die höhere Federkonstante haben (ebenfalls mit Durchbiegung zunehmend).
Unter Bezug auf 5 kann die Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 derart geschmiert werden, dass ein glatter Betrieb der Schnecken/Schneckenradanordnung 10 gewährleistet ist, wodurch die Langlebigkeit der beteiligten Teile gewährleistet ist. Insbesondere ist während einer Leerlaufbedingung ein Spalt 54 zwischen den Außenflanken der Zähne 24, 26 der Schnecke und des Schneckenrades gebildet, aufgrund der speziellen Geometrie der Schnecken-/Schneckenradanordnung 10 und insbesondere der Differenz zwischen den Schrägungswinkeln der Zähne 24 der Schnecke und der Zähne 26 des Schneckenrades. Der Spalt 54 ist variabel dimensioniert, um ein (nicht gezeigtes) Schmiermittel unterzubringen, dessen Oberflächenspannung die Leckage des Schmiermittels aus dem Spalt 54 verhindert, außer während Belastungsperioden. Während solcher Perioden von Belastung wird eine Druckkraft auf die Flanken der Zähne 24, 26 aufgebracht, und das Schmiermittel wird aus dem Spalt 54 bis zu einem Grad herausgedrückt, welcher der Druckkraft der Belastung entspricht. Nach dem Herausdrücken aus dem Spalt 54 bleibt ein dünner Film des Schmiermittels, dessen Dicke in Abhängigkeit von der Kompressionskraft variabel ist, an jeder Flanke, um die Zähne 24, 26 zu schmieren, wodurch die Reibung dazwischen reduziert wird. Bei Lösung der Druckkraft nimmt das durch den Spalt 54 gebildete Volumen zu, und der Druck darin nimmt ab, um Schmiermittel, das vorher aus dem Spalt 54 herausgedrückt wurde, zurück in den Raum 54 zu hebern.
Während bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, können verschiedene Modifizierungen und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung nach der Definition durch die Ansprüche abzuweichen.

Claims

Schnecken-/Schneckenradanordnung (10), die folgendes aufweist: eine Schnecke (12) mit mehreren Zähnen (24), die durch wenigstens ein daran angeordnetes, schraubenförmiges Gewinde gebildet sind, wobei das Gewinde einen Schrägungswinkel α aufweist, wobei Flankenflächen (42a, 42b) jedes der Zähne (24) der Schnecke (12) konvex gekrümmt ausgebildet sind; und ein einteiliges Schneckenrad (14) mit mehreren, flexibel daran angeordneten ununterbrochenen Zähnen (26), wobei die Flankenflächen jedes der Zähne (26) des Schneckenrades (14) konkav gekrümmt ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (26) des Schneckenrades (14) in nach außen wirkender mechanischer Doppelflankenverbindung mit den Zähnen (24) der Schnecke (12) angeordnet sind, wobei ein Steigungswinkel (β) der Schnecke (12) weniger als der Schrägungswinkel (α) des Schneckenrades beträgt, wodurch gegenüberliegende Flankenflächen (42a, 42b) jedes der Schneckenzähne (24) an zugewandten Flanken von zwei aufeinanderfolgenden Zähnen (26) des Schneckenrades (14) angreifen.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher jeder der Zähne (24) der Schnecke (12) eine erste Flankenfläche (42a) und eine gegenüberliegende zweite Flankenfläche (42b) umfasst, und wobei jeder der Zähne (26) des Schneckenrades (14) eine erste Flankenfläche (30a) und eine gegenüberliegende zweite Flankenfläche (30b) umfasst, wobei die nach außen wirkende mechanische Doppelflankenverbindung derart aufrechterhalten wird, dass Kontakt zwischen der ersten Flankenfläche (42a) wenigstens eines der Zähne (24) der Schnecke (12) und der ersten Flankenfläche (30a) wenigstens eines der Zähne (26) des Schneckenrades (14) hergestellt ist, und derart, daß Kontakt zwischen der gegenüberliegenden zweiten Flankenfläche (42b) des wenigstens einen der Zähne (24) der Schnecke (12) und einer Flankenfläche (30b) hergestellt ist, welche der ersten Flankenfläche (30a) des wenigstens einen Zahns (26) des Schneckenrades (14) an einem aufeinanderfolgenden Zahn des Schneckenrades (14) zugewandt ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 2, bei welcher der zwischen der ersten Flankenfläche (42a) des wenigstens einen der Zähne (24) der Schnecke (12) und der ersten Flankenfläche (30a) des wenigstens einen der Zähne (26) des Schneckenrades (14) hergestellte Kontakt an gegenüberliegenden Außenkanten der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) ist, und bei welcher der zwischen der gegenüberliegenden zweiten Flanke (42b) des wenigstens einen der Zähne (24) der Schnecke (12) und der der ersten Flankenfläche (30a) zugewandten Flankenfläche (30b) des wenigstens einen Zahnes (26) des Schneckenrades (14) hergestellte Kontakt an dem aufeinanderfolgenden Zahn (26) des Schneckenrades (14) an den gegenüberliegenden Außenkanten der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Flankenflächen (30a, 30b) jedes der Zähne (26) des Schneckenrades (14) konkav gekrümmt ausgebildet sind, um im wesentlichen den konvex gekrümmt ausgebildeten Flankenflächen (42a, 42b) jedes der Zähne (24) der Schnecke (12) zu entsprechen.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher der Steigungswinkel (β) der Schnecke (12) um etwa 0,5 Grad bis etwa 2,0 Grad weniger als der Schrägungswinkel (α) des Schneckenrades (14) beträgt.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 2, bei welcher der Steigungswinkel (β) der Schnecke (12) relativ zu dem Schrägungswinkel (α) des Schneckenrades (14) schräg ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 2, bei welcher eine Drehachse (20) des Schneckenrades (14) relativ zu einer Drehachse (16) der Schnecke (12) schräg ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher wenigstens die Schnecke (12) oder das Schneckenrad (14) aus einem elastischen Material hergestellt ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 2, bei welcher sich der zwischen der ersten Flankenfläche (42a) des wenigstens einen der Zähne (24) der Schnecke (12) und der ersten Flankenfläche (30a) des wenigstens einen der Zähne (26) des Schneckenrades (14) aufrechterhaltene Kontakt von gegenüberliegenden Außenkanten der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) zu einem Punkt zwischen gegenüberliegenden Außenkanten der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) erstreckt, und bei welcher sich der zwischen der gegenüberliegenden zweiten Flanke (42b) des wenigstens einen der Zähne (24) der Schnecke (12) und der der ersten Flankenfläche (30a) zugewandten Flankenfläche (30b) des wenigstens einen der Zähne (26) des Schneckenrades (14) an dem aufeinanderfolgenden Zahn (26) des Schneckenrades aufrechterhaltene Kontakt von gegenüberliegenden Außenkanten der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) zu einem Punkt zwischen den gegenüberliegenden Außenkanten der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) erstreckt.
Schnecken-/Schneckenradeanordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher die Flankenflächen (30a, 30b) jedes der Zähne (26) des Schneckenrades (14) konkav gekrümmt ausgebildet sind, um im wesentlichen den Flankenflächen (42a, 42b) jedes der Zähne (24) der Schnecke (12) zu entsprechen.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher der Steigungswinkel (β) der Schnecke (12) um etwa 0,5 Grad bis etwa 2,0 Grad weniger als der Schrägungswinkel (α) des Schneckenrades (14) beträgt.
Schnecken-/Schneckenradeanordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher der Steigungswinkel (β) der Schnecke (12) relativ zu dem Schrägungswinkel (α) des Schneckenrades (14) schräg ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher eine Drehachse (20) des Schneckenrades (14) relativ zu einer Drehachse (16) der Schnecke (12) schräg ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher wenigstens die Schnecke (12) oder das Schneckenrad (14) aus einem elastischen Material hergestellt ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 9, bei welcher die Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) reversibel betreibbar ist.
Schnecken-/Schneckenradanordnung nach Anspruch 1, bei welcher das Schneckenrad (14) in Doppelflankenkontakt mit der Schnecke (12) gehalten wird, und bei welcher eine Leerlauf- oder Kleinlastbedingung mit einer niedrigen Federkonstante getragen wird und eine höhere Lastbedingung mit einer höheren Federkonstante getragen wird, wobei die Zähne (26) in der Nähe der Leerlauf- oder Kleinlastbedingung im wesentlichen flexibel sind und die niedrige Federkonstante aufgrund höherer Durchbiegung auf die höhere Federkonstante zunimmt und Flexibilitätsgrenzen der Zähne (26) bei der höheren Lastbedingung nahezu erreicht werden.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 16, die ferner niedrigere Lastkontaktbereiche in ersten Orten an den Zahnradzähnen (24, 26) der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) und höhere Lastkontaktbereiche in zweiten Orten an den Zahnradzähnen (24, 26) der Schnecke (12) und des Schneckenrades (14) aufweist, wobei der erste Ort und der zweite Ort an einer einzigen Fläche jedes der Zahnradzähne angeordnet sind.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 16, bei welcher die Federkonstante zunimmt, wenn die Last zunimmt, wobei die Federkonstante im Verhältnis zu einer Durchbiegung von Zähnen (26) des Schneckenrades (14) zunimmt.
Schnecken-/Schneckenradanordnung (10) nach Anspruch 16, bei welcher die Schnecke (12) und das Schneckenrad (14) jeweils mehrere Zähne (24, 26) umfassen, wobei jeder der Zähne (24, 26) eine erste Flankenfläche und eine gegenüberliegende zweite Flankenfläche (30a, 30b, 42a, 42b) umfasst, und wobei die mechanische Verbindung derart aufrechterhalten wird, dass Kontakt zwischen der ersten Flankenfläche (30a) wenigstens eines der Zähne (26) des Schneckenrades (14) und der ersten Flankenfläche (42a) wenigstens eines der Zähne (24) der Schnecke (12) hergestellt ist, und derart, daß Kontakt zwischen der gegenüberliegenden zweiten Flankenfläche (42b) des wenigstens einen der Zähne (24) der Schnecke (12) und einer Flankenfläche (30b) hergestellt ist, welche der ersten Flankenfläche (30a) des wenigstens einen Zahns (26) des Schneckenrades (14) an einem aufeinanderfolgenden Zahn (26) des Schneckenrades (14) zugewandt ist.
Betriebsfähiges Schneckenrad (14) nach Anspruch 16, bei welchem die Federkonstante abhängig von einem Schrägungswinkel eines Schraubengewindes, welches die mehreren Zähne (26) bildet, und/oder der Konkavität jedes der Zähne (26) der mehreren Zähne (26) variabel ist.
Verfahren zur Beseitigung von Spiel in einem Zahnradsystem, das folgendes umfasst: Anordnen einer Schnecke (12) in mechanischer Druckverbindung mit einem Schneckenrad (14), wobei Flankenflächen (30a, 30b) jedes Zahns (26) von mehreren Zähnen (26) an dem Schneckenrad (14) relativ zu jedem Zahn (26) von mehreren Zähnen (26), die das Schneckenrad (14) bilden, konkav gekrümmt ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass derart ein Doppelflankenkontakt an gegenüberliegenden Kanten von zugewandten aufeinanderfolgenden Schneckenradzähnen (26) aufrechterhalten wird, dass während Kleinlast- oder Leerlaufbedingungen der Doppelflankenkontakt zwischen Zähnen (24, 26) der Schnecke (12) und dem Schneckenrad (14) an Außenkanten jedes der zugewandten aufeinanderfolgenden Schneckenradzähne (26) aufrechterhalten wird und während höherer Lastbedingungen sich der Doppelflankenkontakt zum Zentrum jedes der zugewandten aufeinanderfolgenden Schneckenradzähne (26) hin erstreckt, wobei das Anordnen der Schnecke (12) in mechanischer Druckverbindung mit dem Schneckenrad (14) umfasst, dass die Schnecke (12) und das Schneckenrad (14) zusammen vorgespannt werden und eine Achse (20) des Schneckenrades (14) relativ zu einer Achse (16) der Schnecke (12) schräg gestellt wird.