PL235744B1

PL235744B1 - Play-free worm gear

Info

Publication number: PL235744B1
Application number: PL427142A
Authority: PL
Inventors: Wojciech Kacalak; Zbigniew Budniak; Maciej Majewski
Original assignee: Politechnika Koszalinska
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-10-19
Also published as: PL427142A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest przekładnia ślimakowa bezluzowa, przeznaczona do stosowania w mechanizmach precyzyjnych, a zwłaszcza do zastosowania w układach do bezluzowego przemieszczania przestawianych zespołów urządzeń technologicznych, przyrządów pomiarowych lub obróbkowych.The subject of the invention is a backlash-free worm gear, intended for use in precise mechanisms, and in particular for use in systems for the backlash-free movement of set of technological devices, measuring or processing devices.

Przekładnia taka może być wykonana zarówno z metali, jak i tworzyw sztucznych o specjalnych właściwościach wytrzymałościowych.Such a gear can be made of both metals and plastics with special strength properties.

Znana jest przekładnia ślimakowa bezluzowa według patentu polskiego nr PL 137 131. Przekładnia cechuje się tym, że ślimak ma wydrążony osiowy otwór o średnicy równej lub nieco większej od średnicy dna wrębów. Najważniejszym elementem tego rozwiązania jest przecięcie, dna zwoju wzdłuż linii śrubowej tylko w środkowej części ślimaka. Dzięki temu ślimak w środkowej części staje się specyficzną sprężyną o utwierdzonych końcach, cechującą się dużą sztywnością osiową, w wyniku tego przecięcia ślimak jest lokalnie podatny w kierunku osiowym i może być ściskany lub rozciągany. Tak wykonany ślimak osadzony jest suwliwie na trzpieniu i jednym końcem ustalony osiowo oraz zabezpieczony przed obrotem względem trzpienia. Takie zamocowanie ślimaka umożliwia przemieszczanie drugiego swobodnego końca w kierunku osiowym za pomocą mechanizmu przesuwu. Przekładnia posiada mechanizm przesuwny w celu zapewnienia odkształceń bezrdzeniowej części ślimaka. Ściskając ślimak dokonuje się zmiany podziałki, a zatem reguluje się wartość luzu. Długość części ślimaka, która ma rozcięte dno wrębu wzdłuż linii śrubowej, zależy od długości strefy zazębienia, oraz od warunków eksploatacji i musi być mniejsza od długości części uzębionej ślimaka.A backlash-free worm gear is known according to Polish patent No. PL 137 131. The gear is characterized by the fact that the worm has a hollow axial hole with a diameter equal to or slightly greater than the diameter of the bottom of the grooves. The most important element of this solution is cutting the bottom of the coil along the helix only in the middle of the screw. As a result, the worm in the middle part becomes a specific spring with fixed ends, characterized by high axial stiffness, as a result of this cut the worm is locally compliant in the axial direction and can be compressed or stretched. The worm made in this way is slidably mounted on the mandrel and fixed axially at one end and secured against rotation in relation to the mandrel. Such fastening of the worm enables the other free end to be displaced in the axial direction by the displacement mechanism. The gearbox has a sliding mechanism to ensure deformation of the coreless part of the worm. By squeezing the worm, the pitch is changed, and therefore the clearance value is adjusted. The length of the part of the screw which has a split bottom of the notch along the helix depends on the length of the mesh zone and the operating conditions and must be smaller than the length of the toothed part of the screw.

Znana jest też przekładnia ślimakowa bezluzowa, z polskiego opisu patentowego nr PAT. 228446, której oba końce ślimaka zakończone są stożkowo i ściśnięte są między tulejami z przylegającymi wewnętrznymi powierzchniami stożkowymi, a ponadto ślimak jest ustalony suwliwie na dwóch wąskich pasowanych powierzchniach trzpienia, na których jest osadzony. Efektem przemieszczeń tulei dociskowych o stożkowym otworze, stykających się z zewnętrzną stożkową powierzchnią czoła ślimaka, który na trzpieniu opiera się na dwóch wąskich pasowanych powierzchniach, jest dodatkowo wystąpienie momentu zginającego. Skutkuje to, oprócz zmniejszenia podziałki ślimaka, zwiększeniem w jego środkowej części średnicy podziałowej. Obydwa te odkształcenia ślimaka eliminują luz przekładni. Istotą drugiej przekładni według omawianego wynalazku jest to, że w otworze wewnętrznym ślimaka, na trzpieniu, osadzony jest pakiet sprężyn talerzowych, ściskanych pomiędzy tulejami poprzez pierścień wewnętrzny łożyska, za pomocą nakrętki, osadzonej na gwintowanym czopie trzpienia. W wyniku docisku tej nakrętki, sprężyny talerzowe powodują odkształcenia promieniowe zwojów ślimaka w środkowej części.A backlash-free worm gear is also known, from the Polish patent description PAT. 228446, which both ends of the screw conically end and are squeezed between sleeves with adjacent internal tapered surfaces, and the screw is slidably mounted on the two narrow fitting surfaces of the pin on which it is mounted. The effect of the displacement of the pressure sleeves with a conical bore, in contact with the outer conical surface of the worm's face, which rests on the pin on two narrow fitted surfaces, is additionally the occurrence of a bending moment. This results in, in addition to reducing the pitch of the screw, an increase in the center of the screw pitch diameter. Both of these worm deformations eliminate gear backlash. The essence of the second gear according to the present invention is that in the internal bore of the worm, on the mandrel, there is a set of disc springs, compressed between the sleeves through the inner ring of the bearing, by means of a nut mounted on the threaded pin of the mandrel. Due to the tightening of this nut, the cup springs cause radial deformation of the worm coils in the central part.

Celem wynalazku jest rozwiązanie problemu adaptacji cech geometrycznych strefy zazębienia z uwzględnieniem lokalnych wartości parametrów geometrycznych powierzchni ślimaka.The aim of the invention is to solve the problem of adapting the geometric features of the mesh zone, taking into account the local values of the geometric parameters of the screw surface.

Przekładnia ślimakowa bezluzowa zawiera ślimak posiadający przynajmniej w części długości swojego uzwojenia wydrążenie osiowe o średnicy mniejszej od średnicy dna wrębów. Przy czym ślimak jest osadzony suwliwie na trzpieniu napędzającym oraz zawiera mechanizm przesuwny w celu zapewnienia odkształcenia przez osiowe ściskanie uzwojenia ślimaka.A backlash-free worm gear comprises a worm having an axial cavity at least in part along the length of its winding with a diameter smaller than that of the bottom of the grooves. The worm is slidably mounted on the drive spindle and includes a sliding mechanism to provide deformation by axially compressing the worm winding.

Istotą przekładni ślimakowej bezluzowej jest to, że ślimak w podstawie dna zwojów posiada cienkie wycięcia tworzące podatne żebra, a linie żeber pochylone są pod kątem pochylenia β różnym od kąta wzniosu γ linii śrubowej na walcu dna zwojów, zgodnie z kierunkiem skrętu zwojów linii śrubowej ślimaka.The essence of the backlash-free worm gear is that the worm at the bottom of the coils has thin notches forming flexible ribs, and the rib lines are inclined at an angle of inclination β different from the shear angle γ of the helix on the bottom cylinder of the coils, in accordance with the turning direction of the helix coils.

Korzystnie, gdy kąt pochylenia β żeber 7 jest większy od zera i korzystnie jest mniejszy od dwukrotnej wartości kąta wzniosu γ linii śrubowej na walcu dna zwoju.Preferably, the helix angle β of the ribs 7 is greater than zero and preferably less than twice the sheer angle γ of the helix at the bottom cylinder of the coil.

W innej postaci wynalazku przekładnia charakteryzuje się tym, że ślimak w podstawie dna zwojów posiada cienkie wycięcia tworzące podatne żebra, a linie żeber pochylone są pod kątem pochylenia β mniejszym od 0°, czyli przeciwnie do kierunku skrętu zwojów linii śrubowej ślimaka.In another embodiment of the invention, the gear is characterized in that the worm at the base of the bottom of the coils has thin notches forming flexible ribs, and the rib lines have an inclination angle β of less than 0 °, i.e. opposite to the turning direction of the screw coils.

Korzystnie, gdy kąt pochylenia β żeber jest ujemny i korzystnie jego wartość bezwzględna jest mniejsza od kąta wzniosu γ_η linii śrubowej na walcu dna zwoju.Preferably, the helix angle β is negative, and preferably its absolute value is less than the sheer angle γ _{η of} the helix at the bottom roll.

Korzystnie, gdy cienkie wycięcia w podstawie dna zwojów ślimaka są skośne lub śrubowe.Preferably, the thin slots at the base of the bottom of the screw coils are oblique or helical.

W szczególnym przypadku, linia żeber ma zerowy kąt pochylenia β żeber.In a particular case, the rib line has a zero rib helix angle β.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przekładni ślimakowej wraz ze szczegółem A ilustrującym zęby ślimaka, fig. 2 pokazuje ślimak o kierunku skręcenia żeber zgodnym z kierunkiem skręcenia zwojów ślimaka wraz ze szczegółem B, gdzie kąt pochylenia β żeber jest większy od kąta wzniosu γ„ linii śrubowej dna wrębu, fig. 3The subject of the invention is shown in exemplary embodiments in the drawing, in which fig. 1 shows a cross-section of the worm gear with detail A illustrating the teeth of the worm, fig. 2 shows the worm with the direction of twist of the ribs in the direction of twisting of the worm coils, together with detail B, where the angle of inclination of the ribs is greater than the sheer angle γ "of the helix of the bottom of the notch, Fig. 3

PL 235 744 B1 przedstawia widok przestrzenny ślimaka z zaznaczonymi liniami powierzchni śrubowej ślimaka, dna wrębu i żeber o zgodnych kierunkach wzniosu, fig. 4 - fragment rozwinięcia powierzchni dna wrębu, przedstawiający śrubowe wycięcia i żebra dla ślimaka o kierunku wzniosu zwojów ślimaka zgodnym z kierunkiem wzniosu żeber, fig. 5 - fragment rozwinięcia powierzchni dna wrębu, przedstawiający śrubowe wycięcia i żebra dla ślimaka o kierunku wzniosu zwojów ślimaka przeciwnym do kierunku wzniosu linii śrubowych żeber, fig. 6 - fragment rozwinięcia powierzchni dna wrębu ślimaka, przedstawiający żebra śrubowe o kącie pochylenia β = 0°.PL 235 744 B1 shows a spatial view of the screw with the lines of the screw surface of the screw, the bottom of the notch and ribs with corresponding lift directions, Fig. 4 - a fragment of the development of the surface of the notch bottom, showing helical cuts and ribs for the screw with the direction of the screw turns in the direction of the lift 5 - fragment of the development of the bottom surface of the notch, showing the screw cuts and ribs for the screw with the direction of the screw turns opposite to the direction of the helix of the ribs, Fig. 6 - fragment of the development of the surface of the bottom of the screw groove, showing the screw ribs with the angle of inclination β = 0 °.

Wynalazek znajduje zastosowanie w układach technicznych, gdzie wymagana jest duża dokładność kinematyczna, a więc w mechanizmach precyzyjnych przemieszczeń, a także wymagających dużej równomierności ruchu i dobrego tłumienia przy zmiennych obciążeniach.The invention is used in technical systems where high kinematic accuracy is required, i.e. in mechanisms of precise displacements, and also requiring high uniformity of movement and good damping under variable loads.

Przekładnia ślimakowa bezluzowa według wynalazku wykorzystuje znane rozwiązanie, w którym ślimak posiada, przynajmniej w części długości swojego uzwojenia, wydrążenie osiowe o średnicy równej lub nieco większej od średnicy dna wrębów oraz posiada przecięcie dna zwojów wzdłuż linii śrubowej tylko w środkowej części ślimaka. Przy czym ślimak jest osadzony suwliwie na trzpieniu napędzającym oraz zawiera mechanizm przesuwny w celu zapewnienia odkształcenia przez osiowe ściskanie uzwojenia ślimaka o kącie wzniosu γ linii śrubowej.The backlash-free worm gear according to the invention uses the known solution in which the worm has, at least in part of the length of its winding, an axial cavity with a diameter equal to or slightly larger than the diameter of the bottom of the grooves and has an intersection of the bottom of the coils along the helix only in the middle of the worm. The worm is slidably mounted on the driving pin and includes a sliding mechanism to provide deformation by axial compression of the worm winding γ of the helix angle.

Przekładnia ślimakowa w podstawie dna zwojów ślimaka ma wycięcia ukośne lub śrubowe, tworzące w podstawie wrębów drążonego ślimaka cienkie i podatne użebrowanie, które podczas osiowego ściskania ślimaka pozwala na lokalne zmiany podziałki p zębów ślimaka wraz z lokalnym kątowym przemieszczeniem zwoju, wynikającym z pochylenia linii żeber. Powierzchnie żeber pochylone są względem linii śrubowej dna zwojów pod jednakowym kątem pochylenia β ostrym, tworząc jednakowego kształtu i wielkości żebra, uszeregowane obwodowo wzdłuż linii śrubowej wycięcia dna zwojów ślimaka. Wycięcia w dnie zwoju ślimaka można wykonać po obróbce powierzchni śrubowej między innymi z wykorzystaniem obróbki laserowej lub wysokoenergetycznym strumieniem wody. Złożony kształt drążonego ślimaka wraz dnami zwojów oraz podatnymi żebrami śrubowymi można uzyskać również z zastosowaniem procesu wytwarzania przyrostowego z różnych metali w oparciu o modele 3D systemów CAD.The worm gear in the bottom of the screw coils has oblique or helical cuts, creating thin and flexible ribs in the base of the hollow worm grooves, which during axial compression of the worm allows local changes in the pitch p of the worm teeth along with the local angular displacement of the coil resulting from the inclination of the rib lines. The ribs' surfaces are inclined with respect to the helix of the bottom of the coils at the same acute angle β, creating a rib of the same shape and size, circumferentially arranged along the helix of the bottom of the screw coils. The cuts in the bottom of the screw coil can be made after the helical surface has been processed, inter alia, with the use of laser treatment or a high-energy water jet. The complex shape of the hollow worm with coil bottoms and flexible helical ribs can also be obtained using a mixed metal additive manufacturing process based on 3D CAD models.

Zaletą wynalazku jest wprowadzenie dodatkowej możliwości odkształceń skrętnych ślimaka w strefie zazębienia ze ślimacznicą, co zwiększa zakres adaptacji cech strefy zazębienia i skutecznie eliminuje luzy zazębienia.The advantage of the invention is the introduction of an additional possibility of torsional deformation of the worm in the meshing zone with the worm wheel, which increases the range of adaptation of the meshing zone features and effectively eliminates the meshing clearances.

Dodatkową zaletą tej przekładni są dobre warunki smarowania w strefie zazębienia. Podatność bezrdzeniowej części uzębienia ślimaka wpływa korzystnie na zmniejszenie nadwyżki dynamicznej i tłumienie drgań, a także pozwala na przenoszenie większych obciążeń.An additional advantage of this transmission is good lubrication conditions in the meshing zone. The susceptibility of the coreless part of the worm gearing has a positive effect on reducing the dynamic surplus and damping vibrations, and also allows the transfer of higher loads.

P r z y k ł a d 1:P r z k ł a d 1:

Przekładnia ślimakowa bezluzowa (fig. 1) ma korpus 6 w którym łożyskowany jest drążony ślimak 1 osadzony na trzpieniu 3, zazębiający się z wieńcem 2 ślimacznicy 9. Przekładnia zawiera mechanizm przesuwny w celu zapewnienia odkształceń przez ściskanie bezrdzeniowej części ślimaka. Ślimak jest z jednej strony ustalony osiowo przez połączenie kołkowe promieniowe. Kołek walcowy 5, jest wciśnięty w pasowane otwory ślimaka 1 i wałka 3. Z drugiej strony ślimak 1 zawiera łożysko wałeczkowe 10 i tuleję dociskową 11 z nakrętkami dociskowymi 4. Dokręcanie nakrętki dociskowej 4 powoduje przesuwanie tulei dociskowej 11 oraz łożyska 10 i regulację luzów przez odkształcenia osiowe i skrętne zębów ślimaka 1.A backlash-free worm gear (Fig. 1) has a body 6 in which a hollow worm 1 is mounted on a mandrel 3, meshing with a rim 2 of a worm-wheel 9. The gear includes a sliding mechanism to ensure deformation by squeezing the coreless part of the worm. The worm is axially fixed on one side by a radial pin connection. The cylindrical pin 5 is pressed into the fitted holes of the worm 1 and the shaft 3. On the other hand, the worm 1 contains a roller bearing 10 and a pressure sleeve 11 with pressure nuts 4. Tightening the pressure nut 4 moves the pressure sleeve 11 and the bearing 10 and adjusts the clearances by deformations axial and torsional worm teeth 1.

W środkowej części swojego uzwojenia ślimak 1, w podstawie dna zwoju 14, posiada cienkie wycięcia 8, wzdłuż linii śrubowej 13 o kącie wzniosu γ„ większym od kąta wzniosu γlinii śrubowej, tworzące podatne żebra 7 śrubowe. Przy czym żebra 7 uszeregowano obwodowo na walcu dna wrębów 14 w jednakowych odległościach od siebie wzdłuż linii śrubowej dna wrębów ślimaka 15. W przedstawionym przykładzie na fig. 2, 3 i 4 ślimak 1 o średnicy podziałowej d = 24 mm posiada zwój śrubowy o module m = 2 mm oraz podziałce p = 6,286 mm, a kierunek skręcenia żeber 7 śrubowych jest zgodny z kierunkiem skręcenia zwojów ślimaka 1. W pokazanym przykładzie (fig. 4) kąt pochylenia β żeber wynosi 11,9°, a kąt wzniosu γ„ linii śrubowej dna zwoju ślimaka wynosi 5,95°.In the central part of its winding, the worm 1, at the base of the bottom of the coil 14, has thin cutouts 8 along a helix 13 with a sheer angle γ "greater than the sheer angle γ of the helical line, forming flexible 7 helical ribs. The ribs 7 are arranged circumferentially on the cylinder of the bottom of the grooves 14 at equal distances from each other along the helix of the bottom of the screw grooves 15. In the example shown in Figs. 2, 3 and 4, the screw 1 with a pitch diameter d = 24 mm has a screw coil with a module m = 2 mm and pitch p = 6.286 mm, and the twist direction of the 7 screw ribs corresponds to the direction in which the worm coils are twisted 1. In the example shown (Fig. 4), the helix angle β is 11.9 °, and the shear angle γ "of the helix the bottom of the screw coil is 5.95 °.

P r z y k ł a d 2:P r z x l a d 2:

Przekładnia ślimakowa według wynalazku (fig. 5), posiada ślimak 1 o średnicy podziałowej d = 24 mm, który ma wiele żeber 7 pomiędzy powierzchniami bocznymi wycięcia dna zwoju 8. W ślimaku tym kierunek skręcenia żeber 7 jest przeciwny do kierunku zwojów ślimaka. Przy czym kąt pochylenia βżeber wynosi -5,95°, a kąt wzniosu γ„ linii śrubowej dna wrębu wynosi 5,95°. W wyniku zastosowania takiej przekładni uzyskuje się łatwą regulację luzu, poprawę dokładności kinematycznej i warunków współpracy ślimaka i ślimacznicy.The worm gear according to the invention (Fig. 5) has a worm 1 with a pitch diameter d = 24 mm, which has a plurality of ribs 7 between the side surfaces of the cutout of the bottom of the coil 8. In this worm, the twisting direction of the ribs 7 is opposite to the direction of the turns of the worm. The helix angle β of the ribs is -5.95 °, and the sheer angle γ "of the helix of the bottom of the notch is 5.95 °. As a result of the use of such a gear, it is possible to easily adjust the clearance, improve the kinematic accuracy and the cooperation conditions of the worm and worm wheel.

PL 235 744 B1PL 235 744 B1

P r z y k ł a d 3:P r z x l a d 3:

W szczególnym przypadku (fig. 6) przekładnia ślimakowa według wynalazku ma ślimak 1 o średnicy podziałowej d = 24 mm i module m = 2 mm, który posiada wycięcia dna zwoju wrębu ślimaka 8, tworzące podatne żebra 7 ułożone na okręgach o kącie pochylenia β = 0°. Przy czym kąt wzniosu γ^ linii śrubowej 15 na walcu dna zwoju jest równy 5,95°.In the special case (Fig. 6), the worm gear according to the invention has a worm 1 with a pitch diameter d = 24 mm and module m = 2 mm, which has cutouts in the bottom of the worm rebate thread 8, forming flexible ribs 7 arranged on circles with an inclination angle β = 0 °. The helix angle γ ^ of the helix 15 on the roll bottom cylinder is equal to 5.95 °.

W przekładni tego typu w celu poprawienia jej właściwości eksploatacyjnych korzystne jest wprowadzenie dodatkowo modyfikacji zarysu zębów ślimaka. Polega ona na zmniejszeniu promienia krzywizny boków zębów, co powoduje zwiększenie ich wypukłości. Wprowadzenie takiej modyfikacji sprzyja ograniczeniu lokalnych spiętrzeń nacisków w strefie zazębienia.In a gear of this type, in order to improve its operating properties, it is advantageous to additionally modify the profile of the worm teeth. It consists in reducing the radius of curvature of the sides of the teeth, which increases their convexity. The introduction of such a modification helps to limit the local pressure concentrations in the meshing zone.

Claims

1. Backlash-free worm gear, the worm of which has, at least in part of the length of its winding, an axial cavity with a diameter smaller than the diameter of the bottom of the grooves, the worm being slidably mounted on the driving pin and incorporating a sliding mechanism to ensure deformation by axial compression of the worm winding, characterized in that the screw 1 in the base of the bottom of the coils 14 has thin notches 8 forming flexible ribs 7, and the helix of the ribs are inclined at an angle of inclination β different from the sheer angle γ "of the helix 15 on the roll of the bottom of the coils 14, in the direction of the turn turns of the auger 12.

2. Backlash-free worm gear, the worm of which has, at least in part of the length of its winding, an axial cavity with a diameter smaller than the diameter of the bottom of the grooves, the worm being slidably mounted on the driving pin and includes a sliding mechanism to ensure deformation by axial compression of the worm winding, characterized in that the screw 1 in the base of the bottom of the turns 14 has thin notches 8 forming flexible ribs 7, and the helix of the ribs are inclined at an angle β of less than 0 °, i.e. opposite to the turning direction of the turns of the screw 12.

3. A gear according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the β-ribs with respect to the helix 15 on the bottom cylinder of the coils 14 is greater than zero and preferably less than twice the value of the sheer angle γ of the helix 15 on the bottom cylinder 14.

4. A gear according to claim 2, characterized in that the helix angle β of the ribs is negative and preferably its absolute value is smaller than the sheer angle γ ™ of the helix 15 on the roll bottom cylinder 14.

5. A gear according to claim 1 or 2, characterized in that the rib line has a zero rib angle β.

The gear according to claim 1 or 2, characterized in that the thin slots 8 in the base of the bottom of the worms 14 are oblique or helical.