Nockensteuerung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockensteuerung mit einer Nuttrommel und in einer Steuernut geführtem Nocken, welcher eine mit einer Wand der Steuernut zusammenwirkende Fläche aufweist, wobei die Steuernut derart geformt ist, dass der Nocken infolge hoher Changiergeschwindigkeiten hohen Druckbelastungen oder Flächenpressungen ausgesetzt ist.
Bei verschiedenen Nockensteuerungen, insbesondere solchen, welche für Changierzwecke bestimmt sind, werden an den Umkehrpunkten, wo die Changiergeschwindigkeiten hoch sind, sehr grosse Kräfte zwischen dem Nockenkörper und dessen Steuerbahn erzeugt. Wenn der Nocken im Durchgleiten der Steuerbahn seine Richtung umkehrt, unterliegt er in der einen Richtung einer starken Verzögerung und anschliessend in der anderen Richtung einer entsprechend hohen Beschleunigung, d. h. einer hohen Geschwindigkeitsänderung relativ zur Führungsfläche der Steuerbahn. Diese hohen Geschwindigkeitsänderungen erzeugen Kräfte, welche u. a. zwischen der Führungsfläche der Steuerbahn und der mit dieser zusammenwirkenden Fläche des Nockenkörpers wirken. Dies hat hohe Flächenpressungen auf den Nockenkörper in den entsprechenden Punkten zur Folge.
Bei der konstruktiven Durchbildung einer Nockensteuerung mit einem hin- und hergehenden Nocken ist oft die Flächenpressung auf den Nocken an den Umkehrpunkten der begrenzende Faktor der Betriebsgeschwindigkeit. Wenn eine gegebene Bewegung gewünscht wird, muss die Betriebsgeschwindigkeit und damit die Changiergeschwindigkeit auf einen Grad reduziert werden, bei welchem die Flächenpressung auf den Nocken unterhalb der Dauerstands- oder Ermüdungsfestigkeitsgrenze des Materials liegt.
Das Problem wird anschliessend anhand eines spezifischen Beispiels erläutert. Es sei eine schraubenförmige Nockensteuerbahn auf einer Trommel betrachtet, wie sie bei einer Changiereinrichtung an einer Spulmaschine verwendet wird. Die Nockensteuerbahn lenkt zur Bildung eines Wickels einen Fadenführer über die Spule hin und her. Man nehme an, das Garn werde mit einer Geschwindigkeit von 3000 mimin. auf eine Spule gewickelt, welche einen Durchmesser von 15,24 cm und eine Länge von 13,97 cm aufweist.
Diese Spulgeschwindigkeit verlangt, dass der Wickel bei einem Wickeldurchmesser von beispielsweise 15,24 cm sich mit einer Drehzahl von 6270 Ulmin.
dreht. Um bei dieser Geschwindigkeit zu spulen, beträgt die mittlere Geschwindigkeit des Fadenführers pro Durchlauf über den Wickel ungefähr 13,97 m/sek.
Wenn eine 2:1 Schraubennockenbahn benützt wird, wird deren Drehzahl zweimal 6270 oder 12540 U/min.
betragen. Wenn die Umkehr, als vernünftiger, normaler Wert innerhalb 10 Verzögerung und 100 Be schleunigung stattfindet, so beträgt die Verzögerungsoder Beschleunigungszeit 1,328 > c 10-4 Sekunden. Die mittlere Beschleunigung kann dann aus der Gleichung v a= t (Beschleunigung = Geschwindigkeit durch Zeit) berechnet werden, und dies ergibt für die gegebenen Parameter 10,52x106 cm setzt oder ungefähr 10720 g.
Wenn die bewegten Teile der Führung ein Gewicht von z. B. 28,35 g aufweisen, was einen typischen Wert darstellt so beträgt die mittlere Kraft (F=m a), welche zwischen der Nockensteuerbahn und dem Nocken am Umkehrpunkt wirkt, über 270 kp.
Die Flächenpressungen zwischen zwei sich berührenden zylindrischen Oberflächen mit parallelen Achsen können aus der Hertz'schen Gleichung bestimmt werden, welche folgendermassen lautet:
EMI1.1
In dieser Gleichung bedeuten Se die maximale Flächenpressung in der Berührungszone in kp/cm2, Ci und C2 die Krümmungen der Berührungsflächen in cm¯', u1 und u2 die Poisson'schen Zahlen für die entsprechenden Materialien, E1 und E2 die Elastizitätsmo duln für die Materialien, F ist die Kraft in kp und L die Kontaktlänge zwischen den Oberflächen in cm. Für den Faktor 0,0397, welcher in der obigen Gleichung vor der Wurzel steht, ist 0,564 zu setzen, wenn anstelle der metrischen Masseinheiten (kp und cm) mit britischen oder USA-Masseinheiten (pounds und inches) gerechnet wird.
Falls die sich berührenden zylindrischen Oberflächen aus gleichen Materialien mit den gleichen Elastizitätsmoduln bestehen, die Poisson'sche Zahl zu 0,3 angenommen wird und die berührenden Flächen in der gleichen Richtung gekrümmt sind, kann die Hertz'sche Gleichung folgendermassen vereinfacht werden:
EMI2.1
wobei der Faktor vor der Wurzel (analog wie oben) anstelle von 0,0294 im metrischen Massystem 0,418 heissen muss, wenn im britischen oder USA-Massystem gerechnet wird.
Konventionelle Nocken können im allgemeinen in zwei Gruppen eingeteilt werden: Eine erste Gruppe umfasst sogenannte Rollen-Nocken, bei welchen eine Abnehmerrolle geführt durch die Steuerbahn rollt, und eine zweite Gruppe, bei welcher der Nocken als Gleitstein ausgebildet ist und in der Steuerbahn gleitet. Wenn die Flächenpressungen für die am Umkehrpunkt wirkende Kraft von ca. 270 kp gemäss obigem Beispiel für eine konventionelle Führungsrolle, wie sie für die Fadenführung beim Spulen benützt wird, berechnet werden, ergibt sich ein Wert von ca. 28120 kp/cm2.
Dieser Wert übersteigt in hohem Masse die Dauerstands- oder Ermüdungsfestigkeitsgrenzen jeglichen Betriebsmaterials. Flächenpressungsberechnungen für konventionelle Nocken des Gleitstein-Typs ergeben auf ähnliche Weise Flächenpressungswerte, welche die vernünftigerweise geplanten, bei weitem übersteigen. Als Folge davon wird es nötig, die Geschwindigkeit der Nockensteuerbahn zu reduzieren, wobei die Nockenoder -bahnbewegung durch die Notwendigkeit der gleichförmigen Aufwicklung über die Länge des Wikkels ziemlich genau bestimmt ist.
Zusätzlich zum Problem der Flächenpressungen an den Zusammenwirkungs- oder Berührungspunkten zwischen einem Gleitstein und der Führungsbahn weist diese Ausführung auch das zusätzliche Problem von Biegespannungen auf, wenn der Gleitstein in einer Kurve gleitet. Beim Durchgleiten einer Kurve wird der Nocken nur an den sich gegenüberliegenden Enden von der Nockensteuerbahn gestützt. Es überspannt m. a. W. der Gleitstein ein Segment der Kurve, während er in seiner Mitte am Fadenführer befestigt ist.
Der Nocken ist deshalb Biegespannungen unterworfen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Schaffung einer Nockensteuerung zugrunde, welche die vorstehend erwähnten Nachteile vermeidet und insbesondere die Schaffung eines Nockens mit niedriger Flächenpressung bezweckt. Im weitern soll der neue Nocken für den Gebrauch mit Steuerungen geeignet sein, bei welchen der Nockenkörper hohen Pressungen ausgesetzt ist, die von hohen Changiergeschwindigkeiten, wie sie beispeilsweise häufig bei Nuttrommeln angetroffen werden, herrühren. Eine solche Steuernut wird normalerweise an den Umkehrpunkten eine maximale Flächenpressung zur Folge haben, dort also wo der Radius der Steuernut minimal ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die in sich geschlossene Steuernut in der Nuttrommel einen Umkehrteil mit einem Punkt umfasst, an welchem der momentane Radius der Steuernut ein Minimum aufweist, dass die eine Nockenkörperseitenfläche gekrümmt ist und dass die Krümmungsradien aller Punkte längs der einen Nockenkörperseitenfläche wesentlich grösser sind als die halbe Breite der Steuernut und höchstens gleich wie der kleinste Radius des Umkehrteils der Steuernut.
Der Erfindungsgegenstand wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ausschnittes einer Nuttrommel mit Steuernut und einem Nocken niedriger Flächenpressung, und
Fig. 2 einen Querschnitt der Nockensteuerung nach Fig. 1 gemäss der Schnittlinie 2-2.
Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel der Nockenführvorrichtung niedriger Pressung ist für eine Fadenchangiereinrichtung in einer Garnwindeoder -spulmaschine geeignet. Der Garnwickel wird auf eine rotierende Spule (nicht dargestellt) gewickelt, wobei das Garn beim Spulen auf den Wickel durch den Fadenführer (nicht dargestellt) hin- und hergeführt wird, wodurch ein schraubenförmiges Muster von vorbestimmter Art entsteht. Wie dem Fachmann bekannt ist, stellt die Bewegung des Fadenführers einen kritischen Faktor im Hinblick auf das angestrebte Ziel eines gleichförmigen Wickels dar.
Der Fadenführer wird durch eine schraubenförmige Nockenbahn auf einer Nuttrommel 10 angetrieben. In den Figuren ist nur ein Teil der Trommel dargestellt.
Die Nuttrommel ist zylindrisch und mit einer endlosen Steuernut 12 versehen, welche sich schraubenförmig über den grössten Teil der zylindrischen Oberfläche um den Körper der Trommel 10 windet und im Bereich der Trommelenden über gekrümmte Umkehrteile 12a, von welchen in der Figur nur einer dargestellt ist, umkehrt. Obwohl der Umkehrteil 12a als Kreisbogen mit einem Radius R, wie mittels des Pfeils angedeutet, dargestellt ist, ist der Changierteil der Steuernut nicht notwendigerweise kreisb ogenförnug ausgeblldet, sondern er kann eine Kurve mit sich ändernden Krümmungsradien sein. Die Krümmung C des Umkehrteils 12a der Steuernut 12 ist per definitionem der reziproke Wert des Radius R.
Ungeachtet der exakten Form des Umkehrteiles 12a der Steuernut 12 wird irgendein Punkt längs der Changierkurve einen minimalen Krümmungsradius und demzufolge eine maximale Krümmung aufweisen. Aus Illustrationsgründen ist der Umkehrteil 12a kreisbogenförmig angenommen.
Ein Nocken 20 umfasst einen Nockenkörper 22, welcher in der Steuernut 12 gleitet und eine Breite aufweist, die etwas kleiner ist als die Breite der Steuernut.
Seine Länge ist etwas grösser als seine Breite. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Boden des Nockenkörpers 22 eine Krümmung auf, welche derjenigen der zylindrischen Fläche des Nutengrundes der Steuernut 12 angeglichen ist. Die Dicke des Körpers ist annähernd gleich der Tiefe der Steuernut. Radial zur Nuttrommel 10 erstreckt sich ein Stab 24 nach aussen welcher mit dem Körper 22 einteilig ausgebildet oder als separates Element in einer entsprechenden Öffnung im Körper 22 steckt. In beiden Fällen verbindet der Stab 24 den Nocken mit einem Fadenführer (nicht dargestellt), welcher Fadenführer im Betrieb eine parallel zur Trommel verlaufenden, hin- und hergehende Bewegung ausführt und das Garn auf dem rotierenden Garnwickol hin- und herführt.
Wie weiter oben beschrieben, wird der Nocken 20 bei seiner Annäherung an den äussersten Endpunkt des Umkehrteils 12a einer raschen Verzögerung unterworden, welcher eine rasche Beschleunigung in umgekehrter Richtung folgt, wenn der Nocken 22 den eigentlichen Umkehrpunkt verlässt. Um beim Spulen eine zweckdienliche Wicklung des Garnes zu erhalten, muss der Fadenführer in einem relativ kurzen Zeitabschnitt in jedem Betriebszyklus der Steuerung in seiner Bewegungsrichtung changiert werden, wodurch die Verzögerung und Beschleunigung des Nockens 20 und der mit diesem verbundenen beweglichen Teile sehr hoch werden. Der Wert von etwas über 10 000 g und die entsprechende Kraft von über 270 kp, welche vorstehend angeführt worden sind, gelten als Beispiel. Diese relativ grosse Kraft wirkt zwischen den sich berührenden Flächen des Nockenkörpers 22 und der Wand der Steuernut 12.
Beim vorliegenden Nocken niedriger Flächenpressung, welche an den Berührungsteilen zwischen der Steuernut 12 und dem Nockenkörper 22 auftreten, werden dadurch auf annehmbaren Werten gehalten, dass man die Flächen 22a und 22b des Nockens 20, welche mit den Wänden der Steuernut 12 zusammenwirken, gekrümmt ausführt und die Krümmungen dieser Flächen auf einen vorbestimmten Wertbereich beschränkt. Insbesondere liegen die Krümmungsradien der Flächen 22a und 22b zwischen einem Wert, welcher wesentlich höher ist als die halbe Breite der Steuernut
12 und einem Wert, der nicht grösser und vorzugsweise etwas kleiner ist als der minimale Momentanradius der berührenden Wand der Steuernut 12. Im in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flächen 22a und 22b kreisbogenförmig, wobei der Radius durch den Pfeil r veranschaulicht ist.
Die Krümmung der mit der Steuernut zusammenwirkenden Flächen 22a und 22b des Nockenkörpers 22 kann aber auch veränderlich sein. Auf jeden Fall darf die Momentankrümmung jedes Punktes längs der Flächen des Nockenkörpers 22 nicht geringer sein als die maximale Krümmung der Führungsrille 12.
Unter Bezugnahme auf die Hertz'sche Formel ist die Flächenpressung, welche an der Berührungsstelle zwischen der Fläche 22a und der entsprechenden Wand der Steuernut 12 auf den Nockenkörper 22 wirkt, eine Funktion der Krümmungen der sich berührenden Oberflächen. Es ist offensichtlich, dass die Pressung auf einem niedrigeren Wert gehalten werden kann, wenn die Krümmung des Nockens 20 innerhalb der oben angegebenen Grenzen gehalten wird, wobei alle übrigen Faktoren dieselben sind.
Die vorliegende Nockensteuerung ist dafür vorgesehen, schwenkbar an ein hin- und herzubewegendes
Glied montiert zu werden. Sie kann eine maximale
Querabmessung aufweisen, welche etwas geringer ist als die Breite der Führungsrille, und eine Länge, die etwas grösser ist als seine Breite. Sie kann sich deshalb soweit schwenken, als es nötig ist, um ihre längere Achse im allgemeinen längs der Momentanachse der Steuernut ausgerichtet zu halten. Die Flächen des Nokkens, welche die Steuerfläche berühren, sind gekrümmt. Ihre Fähigkeit, hohe Belastungen auszuhalten, resultiert aus einem nicht zu unterschreitenden kritischein Krümmungsgrad längs dieser Flächen.
Die Hertz'schen Gleichungen zeigen, dass die Flächenpressungen mit abnehmenden Krümmungen (C) der sich berührenden Flächen kleiner werden. Deshalb können durch Herabsetzung der Krümmung der Nokkenflächen die Flächenpressungen beträchtlich reduziert werden. Andererseits sollte die Krümmung der mit der Steuernut zusammenwirkenden Flächen des Nockens an keinem Punkt kleiner sein als die maximale Krümmung der Steuernut, da sonst eine Trennung eines Teils des Nockens von der Steuernut-Führungsfläche, d . h. eine Überbrückung resultieren würde, was zu anderen Schwierigkeiten führt.
Die mit der vorliegenden Nockensteuerung erhaltenen Vorteile sind offenkundig. Wie erwähnt, sind die Flächenpressungen, welche auf den Nocken wirken, für eine gegebene Steuernut und Betriebsgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt. In der Praxis können Reduktionen in den Flächenpressungen von mehreren 100 Prozent erzielt werden. Demzufolge ist es mit dem vorliegenden Nocken möglich, höhere Betriebsgeschwindigkeiten zu erreichen, ohne dabei die Dauerstandsoder Ermüdungsfestigkeit des Materials zu übersteigen.
Der Nocken kann relativ billig hergestellt werden. Vorteilhafterweise können die mit der Steuernut zusammenwirkenden Flächen des Nockens kreisbogenförmig gewölbt sein, was die Produktionsvorgänge vereinfacht und demzufolge die Kosten reduziert.