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Die
Erfindung betrifft eine Friktionsscheibe für den Einsatz in einer Falschdrallvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Falschdrallvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
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Bei
der Herstellung von gekräuselten
synthetischen Fäden
ist es bekannt, an den multifilen Fäden einen durch Friktion eingebrachten
Falschdrall zu erzeugen, welcher in einer Texturierzone durch thermische
Behandlung in den Filamenten des Fadens fixiert wird. Zur Erzeugung
des Falschdralls haben sich insbesondere Falschdrallvorrichtungen
bewährt, bei
welchen der Faden an den Umfangsflächen sich rotierender und überlappender
Friktionsscheiben geführt
wird. Eine derartige Falschdrallvorrichtung ist beispielsweise aus
der
EP 0 943 022 B1 bekannt.
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Die
dabei verwendeten Friktionsscheiben werden im wesentlicher konstanter
Umfangsgeschwindigkeit angetrieben, wobei an ihren Umfangsflächen der
Faden in einem schrägen
Lauf geführt wird.
Die zwischen dem Faden und der Umfangsfläche der Friktionsscheibe wirkenden
Reibmechanismen führen
dazu, dass an dem Faden eine Querkraft zum Verdrallen des Fadens
sowie eine Zugkraft zur Förderung
des Fadens erzeugt wird. Die Verteilung der Kraftkomponenten ist
dabei abhängig
von dem Neigungswinkel, mit welchem der Faden die Umfangsfläche der
Friktionsscheibe passiert. Insbesondere bei der Erzeugung der den
Falschdrall bestimmenden Querkraft sind Schlupferscheinungen zwischen
dem Faden und der Umfangsfläche
der Friktionsscheibe nicht auszuschließen. Derartige Schlupferscheinungen
verursachen Reibeffekte zwischen den einzelnen Filamenten des Fadens
sowie der Umfangsfläche
der Scheibe, so dass besondere Werkstoffanforderungen und Oberflächenanforderungen an
der Friktionsscheibe gestellt werden. Je nach Fadentyp und Drallhöhe werden
somit sowohl Friktionsscheiben mit einem harten Friktionsmaterial
beispielsweise aus Keramik oder Metall als auch Friktionsscheiben
mit einem nicht metallischen relativ weichen Friktionsmaterial verwendet.
Die Friktionsscheiben mit hartem Friktionsmaterial zeichnen sich
durch geringe Verschleißerscheinungen
aus, jedoch mit dem Nachteil des sogenannten Glacing-Effektes. Hierbei
wird die Oberflächenstruktur
der Umfangsfläche
zunehmend durch Zuschmieren der Rauigkeitstäler geglättet. Damit wird mit zunehmender
Betriebszeit die Drallgebung verschlechtert.
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Alternativ
ist es jedoch auch bekannt, Friktionsscheiben mit relativ welchem
Friktionsmaterialien wie beispielsweise Kunststoffen einzusetzen.
Derartige Friktionsmaterialien ermöglichen aufgrund hoher Reibwerte
eine besonders schonende Drallgebung an dem Faden, jedoch mit dem
Nachteil einer höheren
Verschleißerscheinung.
Zur Optimierung sowie zur Veränderung
der Oberflächenstrukturen
insbesondere an weichen Friktionsmaterialien sind daher Friktionsscheiben
bekannt, bei welchem die Eigenschaften eines Grundwerkstoffes durch
den Zusatz eines Beigabestoffes verändert werden. In der
DE 35 00 208 A1 ist
beispielsweise vorgeschlagen, einem gummielastischem Material bei
der Hierstellung eine feinpulverige Substanz beizumengen. Als Beispiel wurde
ein Verbund aus dem Polyamidpulver und dem Grundwerkstoff Polyurethan
gewählt.
Damit lässt sich
zwar insbesondere die chemische Beständigkeit und der damit einhergehende
Verschleiß mindern,
jedoch bleibt die aufgrund mechanischer Beanspruchung bedingte Verschleißerscheinung
ungenügend verbessert.
Höherwertige
Verbundwerkstoffe wie beispielsweise ein Aramid gefülltes Polyurethan
wie aus der
DE 198 15 578 bekannt
ist, lassen zwar eine höhere
Abriebfestigkeit erwarten, jedoch sind derartige Verbundwerkstoffe
sehr kostenintensiv. Desweiteren wurde beobachtet, dass die in einem
Grundwerkstoff eingelagerten Teile des Beigabestoffes eine erhöhte Reibbeanspruchung
an dem Faden verursachten, so dass zwar der Abrieb an der Friktionsscheibe
verbessert wurde, jedoch mit dem Nachteil höhere Beanspruchungen an dem
Faden.
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Es
ist nun Aufgabe der Erfindung eine Friktionsscheibe der gattungsgemäßen Art
für den
Einsatz in einer Falschdrallvorrichtung zu schaffen, bei welcher
die Oberflächenbeschaffenheit
des Friktionsmaterials einerseits einen hohen Reibwert zur Drallübertragung
an dem Faden ausweist und andererseits lange Lebensdauern gewährleistet.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Falschdrallvorrichtung
zum Falschdralltexturieren multifiler Fäden bereitzustellen, mit welchem
relativ hohe Falschdrallraten fadenschonend erzeugt werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Friktionsscheibe mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine
Falschdrallvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen
der jeweiligen Unteransprüche
definiert.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei dem Verbundmaterial
die Oberflächenstruktur
zwangsläufig
durch Teile des Grundwerksstoffes sowie durch Teile des Beigabestoffes
gebildet wird. Dabei kann insbesondere bei stark unterschiedlichen Beschaffenheiten
der Werkstoffe Rauhigkeitsvorsprünge
gebildet sein, die unvermeidlich einen härteren Eingriff an den Filamenten
des Fadens bewirken. Insoweit wurde festgestellt, dass hervorstehende Partikel
im Verhältnis
zu dem Querschnitt eines Filamentes des Fadens ein Mindestmaß nicht überschreiten
sollte, um fadenschonende Vorgänge
zwischen den Reibpartnern der Friktionsscheibe und dem Faden zu
erhalten. Der einem Grundwerkstoff beigegebene Beigabestoff zur
Verbesserung der Eigenschaften liegt erfindungsgemäß in Form
von feinsten Partikeln mit einer Größe von < 1 Mikrometer vorzugsweise mit einer
Größe von < 500 Nanometer vor.
Damit besitzen die Partikel des Beigabestoffes eine relativ kleine
Einzelangriffsfläche
gegenüber dem
Faden, so dass im wesentlichen die Reibwerte des Grundwerkstoffes
erhalten bleiben.
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Die
Weiterbildung der Erfindung, bei welcher die Partikel des Beigabestoffes
eine mittlere Größe im Bereich
von 10 Nanometer bis 300 Nanometer aufweisen, er möglicht zudem
spezielle aus der Nanotechnologie bekannte Oberflächeneffekte
an den Friktionsscheiben zu realisieren. So kann damit vorteilhaft
bei keramischen Friktionsmaterialien das vorzeitige Zuschmieren
erheblich vermindert werden.
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Die
erfindungsgemäße Friktionsscheibe
wird bevorzugt jedoch gemäß der Weiterbildung
der Erfindung ausgeführt,
bei welcher die Partikel des Beigabestoffes eine größere Härte gegenüber der
Härte des
Grundwerkstoffes aufweisen. Damit lassen sich beispielsweise in
einem relativ weichen Grundwerkstoff eine Vielzahl von Stützstellen
schaffen, die zu einer wesentlichen Verschleißminderung führen ohne dabei
die hohen Reibwerte zu verschlechtern. Zudem bietet die geringe
Partikelgröße des Beigabestoffes
eine vorteilhafte Vernetzbarkeit und Einbettung in den Grundwerkstoff,
so dass relativ hohe Konzentrationen des Beigabestoffes in dem Grundwerkstoff
einbezogen werden können.
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Die
Partikel des Beigabestoffes können
dabei den kompletten Grundwerkstoff oder zumindest in einer Randzone
des Umfangsbereiches der Friktionsscheibe gleichmäßig verteilt
eingebunden sein.
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Im
besonderen Maße
ist die erfindungsgemäße Friktionsscheibe
für Friktionsmaterialien
geeignet, die als Grundwerkstoff ein Naturgummi oder ein Kunststoff
und als Beigabestoff einen keramischen oder metallischen Werkstoff
aufweisen.
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Bei
Verwendung von keramischen oder metallischen Werkstoffen als Beigabestoff
lassen sich Gewichtsanteile im Bereich von 5 bis 80% in dem Grundwerkstoff
realisieren.
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Die
erfindungsgemäße Falschdrallvorrichtung
zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad hinsichtlich der pro
Umdrehung erzeugten Drallerteilung aus. Dabei garantieren die Umfangsflächen der Friktionsscheiben
eine besonders fadenschonende Verdrehung und Förderung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Friktionsscheibe
und der erfindungsgemäßen Falschdrallvorrichtung
sind nachfolgend unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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Es
stellen dar:
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1 schematisch
eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Friktionsscheibe
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2 schematisch
eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Friktionsscheibe
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3 schematisch
eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Falschdrallvorrichtung
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In 1 ist
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Friktionsscheibe
in einer Querschnittsansicht gezeigt.
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Die
Friktionsscheibe 1 ist ringförmig ausgebildet und weist
einen Außendurchmesser
D auf. Die Friktionsscheibe 1 wird durch einen mittleren Buchsenträger 5 gebildet,
der im Zentrum eine Aufnahmeöffnung 6 bildet.
Am Umfang ist der Buchsenträger 5 U-förmig ausgebildet
um einen den Buchsenträger 5 umschließendes Friktionsmaterial 2 zu
halten. Das Friktionsmaterial 2 weist einen geformten Umfangsbereich 7 auf.
Der Umfangsbereich 7 ist bevorzugt als Profilradius ausgebildet.
Das Friktionsmaterial 2 am Umfang des Buchsenträger 5 wird durch
ein Verbund aus einem Grundwerkstoff 3 und einem Beigabestoff 4 gebildet.
Hierzu ist der Beigabestoff 4 in Form von feinsten Partikeln
mit einer Größe von < 1 Mikrometer vorzugsweise
von < 500 Nanometer
gleichmäßig in dem
Grundwerkstoff 3 verteilt eingebracht.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Friktionsscheibe könnte das
Friktionsmaterial durch den Verbund aus einem Polyu rethan und einem
keramischen Werkstoff gebildet sein. Hierbei stellt der Kunststoff
Polyurethan den Grundwerkstoff, in welchem der keramische Werkstoff
als Beigabestoff in kleinsten Partikeln eingelagert ist. Durch die
Anreicherung des Polyurethanwerkstoffes mit keramischen Nanopartikeln
lassen sich vorteilhaft die Betriebseigenschaften des Polyurethanwerkstoffes
erheblich verbessern, ohne dabei den Vorteil einer fadenschonenden
Drallgebung zu verschlechtern. Insbesondere lässt sich damit das frühzeitige
Aufquellen des Kunststoffes durch die in dem Faden mitgeführte Präparationsmitteln verhindern.
Zudem bieten die keramischen Partikel eine hohe Anzahl von kleinen
harten Stützstellen,
die zu einer Verschleißminderung
des relativ reichen Werkstoffes führen. Zudem kann die Formstabilität sowie
die Oberflächenbeschaffenheit
hinsichtlich ihrer Reibeigenschaften über hohe Betriebsstunden konstant
gehalten werden. Insoweit stellt die erfindungsgemäße Friktionsscheibe
einen hervorragenden Kompromiss zwischen Langlebigkeit und fadenschonender
Bearbeitung dar.
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In 2 ist
eine weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Friktionsscheibe schematisch
in der Querschnittsansicht dargestellt. Der Aufbau der Friktionsscheibe
nach 2 ist im wesentlichen identisch zu dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel,
so dass an dieser Stelle nur die Unterschiede erläutert sind.
Gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 weist die erfindungsgemäße Friktionsscheibe 1 in 2 einen
Verbund eines Grundwerkstoffes mit einem Beigabestoff nur im Umfangsbereich
innerhalb einer Randzone 8 auf. Die Verbindung mit dem übrigen Friktionsmaterial 2 kann hierbei
durch Diffusion, Beschichtung oder unmittelbar beim Spritzgießen erzeugt
werden. Eine sogenannte Nanoaktivierung der Oberfläche des
Friktionsmaterials 2 ist im Bereich in Schichten von 10
bis 2.000 Nanometer möglich.
Hierbei weisen die Partikel des Beigabestoffes bevorzugt eine mittlere
Größe im Bereich
von 10 bis 300 Nanometer auf. Derartige Oberflächenveränderung lassen sich besonders
vorteilhaft an keramischen Grundwerkstoffen vornehmen, um beispielsweise
den Glacing-Effekt zu unterbinden. Somit könnte die in 2 dargestellte
Ausführung
der Friktionsscheibe als Friktionsmaterial 2 einen keramischen
Werkstoff aufweisen, der an seiner Umfangsfläche 7 eine durch einen
Nanobeschichtung mit einem Beigabestoff beispielsweise einem weiteren
keramischen Stoff mit kleinsten Partikeln zu einem Verbundwerkstoff
führen.
Zudem ermöglicht
die Nanotechnologie eine Vielzahl von Werkstoffkombinationen, durch
welche Metalle, Kunststoffe, Keramiken oder Gummi als Friktionsmaterial
nutzbar gemacht werden könnten.
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Die
erfindungsgemäße Friktionsscheibe
ist für
den Einsatz in einer Falschdrallvorrichtung konzipiert. Ein Ausführungsbeispiel
einer derartigen Falschdrallvorrichtung ist in 3 schematisch
in einer Ansicht dargestellt.
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Die
Falschdrallvorrichtung weist einen Lagerblock
9 auf. An
dem Lagerblock
9 sind mehrere Wellen
10.1,
10.2 und
10.3 auskragend
drehbar gehalten. Die Wellen
10.1,
10.2 und
10.3 sind
mit ihrem Lagerende mit einem hier nicht dargestellten Antrieb gekoppelt.
Ein derartiger Antrieb ist beispielsweise aus der
EP 0 744 480 A1 bekannt.
Insoweit wird an dieser Stelle auf den Inhalt der zitierten Druckschrift ausdrücklich Bezug
genommen.
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Die
Wellen 10.1, 10.2 und 10.3 sind zu einem Dreieck
angeordnet. An den Wellen 10.1, 10.2 und 10.3 sind
mehrere Friktionsscheiben 12.1 bis 12.7 versetzt
zueinander angeordnet. Im einzelnen weist die Welle 10.1 in
Fadenlaufrichtung mit Abstand zueinander eine Einlaufscheibe 11 und
zwei Friktionsscheiben 12.3 und 12.6 auf Die zweite
Welle 10.2 besitzt eine unmittelbar unterhalb der Einlaufscheibe 11 angeordnet
erste Friktionsscheibe 12.1 sowie die weiteren in Abstand
folgenden Friktionsscheiben 12.4 und 12.7.
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Die
dritte Welle 10.3 weist in Fadenlaufrichtung eine erste
Friktionsscheibe 12.2 auf, die zwischen den Friktionsscheiben 12.1 und 12.3 angeordnet
ist. In Abstand zu der Friktionsscheibe 12.2 folgt eine
weitere Friktionsscheibe 12.5, die zwischen den Friktionsscheiben 12.4 und 12.6 angeordnet
ist. Am Ende trägt
die Welle 10.3 eine Auslaufscheibe 13. Der Achsabstand
zwischen den Wellen 10.1, 10.2 und 10.3 sowie
der Scheibendurchmesser D der Friktionsscheiben 12.1 bis 12.7 ist
derart aufeinander abgestimmt, dass die Friktionsscheiben im Zentrum
des durch die Wellen 10.1 bis 10.3 gebildeten
Dreiecks sich überlappen.
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Auf
der Einlaufseite der Falschdrallvorrichtung ist ein Einlauffadenführer 15 und
auf der Auslaufseite ein Auslauffadenführer 16 vorgesehen,
um einen Faden 14 in dem Überlappungsbereich im wesentlichen
im Bereich des Zentrums des gleichseitigen Dreiecks zu führen. Der
Faden 14 wird in einem wundenen schraubenlinienförmigen Fadenlauf
entlang der Umfangsflächen
der Einlaufscheibe 11, der Friktionsscheiben 12.1 bis 12.7 und
der Auslaufscheibe 13 geführt. Dabei baut sich durch
die zwischen den Faden 14 und den Umfangsflächen der Friktionsscheiben 12.1 bis 12.7 wirkende
Reibmechanismen ein Falschdrall an dem Faden 14 aus, der entgegen
der Fadenlaufrichtung sich in dem Faden 14 fortpflanzt.
Auf der Auslassseite ist der Falschdrall aufgelöst und der Faden verlässt ungedrallt über den Auslauffadenführer 16 das
Aggregat.
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Die
Einlaufscheibe 11 weist eine profilierte Umfangsfläche auf,
so dass der Faden ohne wesentliche Wirkung über die Umfangsfläche gleiten
kann. Im Verhältnis
zu den Friktionsscheiben 12.1 bis 12.7 kann die
Einlaufscheibe 11 einen kleinen Scheibendurchmesser aufweisen.
Damit übernimmt
die Einlaufscheibe 11 ausschließlich eine Fadenführung.
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Der
Scheibenstapel der sich überlappenden Friktionsscheiben
wird auf der Auslassseite durch die Auslaufscheibe 13 begrenzt.
Die Auslaufscheibe 13 ist vorzugsweise mit einer relativ
scharfkantig begrenzten Umfangsfläche ausgeführt, so dass nach Überlauf
der Faden eine gewisse Aufspreizung erhält. Damit kann vorteilhaft
ein Restdrall an Faden vermindert werden.
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Die
Friktionsscheiben 12.1 bis 12.7 sind in ihren
Abmessungen identisch ausgebildet und könnten beispielsweise eine Ausführung wie
in 1 oder wie in 2 dargestellt
zeigen. Damit wird eine besonders fadenschonende Drillgebung er reicht.
Bei Verwendung von der in 1 dargestellten
Friktionsscheibe können
zudem intensive Drallgebungen in dem Faden erreicht werden.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Falschdrallvorrichtung
ist im Aufbau und Anordnung der Scheibenstapel an den Wellen 10.1 bis 10.3 beispielhaft.
Grundsätzlich
kann die Anzahl der Friktionsscheiben variiert werden.
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- 1
- Friktionsscheibe
- 2
- Friktionsmaterial
- 3
- Grundwerkstoff
- 4
- Beigabestoff
- 5
- Buchsenträger
- 6
- Aufnahmeöffnung
- 7
- Umfangsbereich
- 8
- Randzone
- 9
- Lagerblock
- 10.1,
10.2, 10.3
- Wellen
- 11
- Einlaufscheibe
- 12.1
... 12.7
- Friktionsscheibe
- 13
- Auslaufscheibe
- 14
- Faden
- 15
- Einlauffadenführer
- 16
- Auslauffadenführer
- D
- Scheibendurchmesser