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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Zahnstangenbürste zur Reinigung einer Zahnstange und eine Verwendung einer solchen Zahnstangenbürste.
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Stand der Technik
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Für die Reinigung von Zahnstangen wird in der
US 5,702,189 eine Vorrichtung offenbart, welche zur Reinigung von Zahnstangen in Druckern vorgesehen ist. Es wird ein Plastik-Element vorgeschlagen, welches oberhalb der Zahnstange angeordnet ist und überschüssigen Papierreste entfernen soll. Eine solche Anordnung ist allenfalls eingeschränkt geeignet, um Zahnstangen eines Zahnstangen-Ritzel-Antriebs aus der Automatisierungstechnik oder der Fertigungstechnik zu reinigen.
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Zahnstangenbürsten aus dem Stand der Technik reinigen Zahnstangen verbesserungsfähig, sind für Zahnstangen aus Metall ungeeignet oder sind umständlich zu bedienen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Zahnstangenbürste und eine Verwendung einer solchen Zahnstangenbürste anzugeben, wobei insbesondere eine wirksame Reinigung einer Zahnstange bewirkt werden soll.
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Die Aufgabe wird mit einer Zahnstangenbürste nach dem Anspruch 1 und einer Verwendung einer Zahnstangenbürste nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen eine Zahnstange und einen Bürstenkopf. Der Bürstenkopf weist eine Mehrzahl von Borsten auf, welche sich um eine Rotationsachse des Bürstenkopfes drehen lassen. Der Bürstenkopf weist eine Rotationsachse auf, welche parallel zu der relativen Längsbewegungsrichtung der Zahnstange ist. Dies entspricht der Richtung, in welcher sich ein Ritzel und die Zahnstange relativ zueinander bewegen. Dabei ist es für Ausführungsform der Erfindung grundsätzlich unerheblich, ob mit dem Ritzel die Zahnstange bewegt wird, oder ob die Zahnstange fixiert ist und das Ritzel sich bei Rotation des Ritzels entlang der Zahnstange bewegt. Allgemein wird die Richtung dieser relativen Längsbewegung als Längsbewegungsrichtung oder Linearbewegungsrichtung bezeichnet, wobei der Bürstenkopf relativ zu der Zahnstange entlang dieser Richtung linear verschieblich angeordnet ist. Gleichzeitig ist die Drehachse des Bürstenkopfes in dieser Richtung ausgerichtet, so dass sich die Borsten um eine Parallele der Längsbewegungsrichtung drehen lassen.
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Bei typischen Ausführungsformen ist die Zahnstange aus Metall, beispielsweise aus Stahl oder einer Titanlegierung. Typischerweise ist bei einigen Ausführungsformen eine Schmierung der Zahnstange mit Öl vorgesehen. Weitere Ausführungsformen verwenden andere Schmierstoffe oder weisen keine Schmierung auf.
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Typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen eine Synchronisationseinrichtung zum Synchronisieren der Rotationsbewegung mit der Längsbewegung. Die Synchronisationseinrichtung ist bei einer schrägverzahnten Zahnstange typischerweise eingerichtet, so dass die Borsten bei einer Rotation des Bürstenkopfes um seine Rotationsachse derart in Bewegung gesetzt werden, dass die Bürsten zumindest im Wesentlichen eine Bewegung entlang der Zähne oder parallel zu den Zahnflanken der Zahnstange ausführen. Bildlich kann dies auch wie eine Schnecke beschrieben werden, welche ein Schneckenrad kämmt. Anstelle des Schneckenrades wird jedoch die Zahnstange gekämmt. Um diese Bewegung zu synchronisieren, wird typischerweise eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen. Hintergrund ist, dass im Gegensatz zu einem Schneckengetriebe die Interaktion zwischen dem Bürstenkopf mit den Borsten und der Zahnstange nicht derart ist, dass ein bloßes Entlanggleiten des Bürstenkopfes ausreicht, um eine entsprechende Bewegung anzutreiben. Hierfür sind bei üblichen Ausführungsformen die Selbsthemmungskräfte zu groß.
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Typische Ausführungsformen umfassen einen Bürstenkopf mit einer Mehrzahl von Borsten, wobei die Borsten entlang einer Helix angeordnet sind. Die Helix kann auch als Schraubenlinie bezeichnet werden. Typische Ausführungsformen weisen eine Zahnstange mit einer Schrägverzahnung mit einem Schrägungswinkel auf. Typischerweise entspricht der Steigungswinkel der Helix zumindest auf 5° oder zumindest auf 2° genau oder zumindest im Wesentlichen dem Schrägungswinkel der Zahnstange. Dabei bedeutet „im Wesentlichen” typischerweise eine Abweichung von maximal 10% oder maximal 1°.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Zahnstange eine gerade Verzahnung. Bei typischen Ausführungsformen für eine Reinigung einer Zahnstange mit gerader Verzahnung sind Gruppen von gemeinsam angeordneten Borsten in Umfangsrichtung zueinander beabstandet auf dem Bürstenkopf angeordnet. Die Rotationsbewegung wird typischerweise derart mit der Längsbewegung synchronisiert, so dass jeweils eine Gruppe von Borsten einen Zahngrund mit angrenzenden Zahnflanken reinigt. Auf diese Weise wird ein Abknicken der Borsten bei der Relativbewegung in Längsrichtung vermieden.
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Bei typischen Ausführungsformen mit Zahnstangen mit gerader Verzahnung wird die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung des Bürstenkopfes möglichst hoch gewählt, um eine geringe Relativgeschwindigkeit in Längsrichtung der Borsten gegenüber der Zahnstange zu erreichen. Bei solchen Ausführungsformen ist die Synchronisationseinrichtung dazu eingerichtet, bei einer Bewegung der Zahnstange in Längsrichtung den Bürstenkopf mit einer festgelegten Geschwindigkeit anzutreiben, welche typischerweise sehr groß ist, üblicherweise mehr als zwanzig Umdrehungen pro Sekunde oder mehr als fünfzig Umdrehungen pro Sekunde.
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Bei Ausführungsformen mit schrägverzahnter Zahnstange ist die Synchronisationseinrichtung typischerweise dazu eingerichtet, die Rotationsbewegung mit der Längsbewegung derart zu synchronisieren, dass die Relativgeschwindigkeit der Borsten zu der Zahnstange in der Längsbewegungsrichtung der Zahnstange möglichst gering wird. Dies wird wie oben beschrieben typischerweise erreicht, indem analog zu einem Schneckengetriebe die Rotationsbewegung mit der Längsbewegung synchronisiert wird.
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Typische Ausführungsformen der Synchronisationseinrichtung weisen ein mit dem Bürstenkopf gekoppeltes Verzahnungselement auf, welches mit einem Antrieb des Zahnstangengetriebes in Wirkverbindung steht. Bei typischen Ausführungsformen ist der Antrieb des Zahnstangengetriebes indirekt mit dem Bürstenkopf verbunden, um den Bürstenkopf rotativ anzutreiben. Ein Beispiel für einen Antrieb des Zahnstangengetriebes ist ein Elektromotor, welcher über ein optionales Getriebe ein Ritzel antreibt, welches wiederum mit der Zahnstange in Eingriff steht, so dass eine Relativbewegung des Ritzels zu der Zahnstange bewirkt wird. Typischerweise weist die Synchronisationseinrichtung ein mit dem Bürstenkopf gekoppeltes Verzahnungselement auf, welches mit dem Antrieb direkt oder indirekt in Wirkverbindung steht, beispielsweise greift das Verzahnungselement eine Rotation des Ritzels oder einer Welle des Ritzels ab. Die Synchronisationseinrichtung weist bei solchen Ausführungsformen typischerweise ein Getriebe auf, welches derart ausgelegt ist, dass die Rotationsbewegung des Bürstenkopfes mit der Längsbewegung synchronisiert wird, typischerweise so dass die Borsten entlang des Zahngrundes oder entlang der Zahnköpfe laufen oder analog zu einer Schneckenverzahnung mit der Zahnstange in Eingriff stehen.
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Bei typischen Ausführungsformen stehen die Zähne der Zahnstange mit dem Verzahnungselement in Eingriff, um den Bürstenkopf entsprechend einer Längsbewegung des Bürstenkopfes relativ zu der Zahnstange rotativ anzutreiben. Eine beispielhafte Möglichkeit einer indirekten Verbindung des Antriebs des Zahnstangengetriebes mit dem Bürstenkopf umfasst ein Verzahnungselement, welches eine relative Bewegung in Längsrichtung der Zahnstange zu dem Bürstenkopf abgreift, beispielsweise in mit der Zahnstange in Eingriff stehendes Zahnrad, welches in Längsrichtung unverschieblich bezüglich des Bürstenkopfes gelagert ist. Typischerweise umfasst die Synchronisationseinrichtung bei Ausführungsformen ein Kegelradgetriebe, wobei das Verzahnungselement als schrägverzahntes Zahnrad die relative Längsbewegung der Zahnstange abgreift und über das Kegelradgetriebe eine Rotation des Bürstenkopfes umsetzt, wobei bei typischen Ausführungsformen optional ein Getriebe dazwischen geschaltet ist, um die Rotationsbewegung mit der Längsbewegung zu synchronisieren. Eine Synchronisation kann auch durch Auswahl der Zahnverhältnisse der Zahnräder und Kegelräder erfolgen.
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Bei weiteren Ausführungsformen steht das Verzahnungselement mit einem Abtrieb des Antriebs in Eingriff, also beispielsweise mit dem Ritzel oder einer Welle, welches das Ritzel antreibt. Auch bei solchen Ausführungsformen wird bei typischen Synchronisationseinrichtungen ein Kegelradgetriebe mit gegebenenfalls noch einem zusätzlichen Untersetzungsgetriebe verwendet, um die Rotationsbewegung mit der Längsbewegung zu synchronisieren.
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Typische Ausführungsformen umfassen eine Synchronisationseinrichtung mit einem Bürstenkopf-Antrieb, welcher mit einer Steuereinrichtung eines Antriebs des Zahnstangengetriebes verbunden ist. Wiederum kann der Antrieb des Zahnstangengetriebes beispielsweise eine elektrische Maschine sein, welche ein Ritzel antreibt, wobei das Ritzel relativ zu der Zahnstange linear beweglich ist. Bei dem Begriff „ Antrieb des Zahnstangengetriebes” kann es sich somit auch um eine feststehende Zahnstange handeln, entlang derer sich der Antrieb mit dem Ritzel fortbewegt. Auch dies wird unter dem Begriff „Antrieb des Zahnstangengetriebes” verstanden. Dies gilt für die gesamte Beschreibung, soweit nichts anderes beschrieben ist. Die Synchronisationseinrichtung ist bei Ausführungsformen eine elektronische Synchronisationseinrichtung, welche eingerichtet ist, den Bürstenkopf-Antrieb derart anzusteuern, so dass seine Geschwindigkeit eine Rotationsbewegung des Bürstenkopfes bewirkt, bei welcher der Bürstenkopf mit der Zahnstange analog einer Schneckenverzahnung synchronisiert in Eingriff steht. Grundsätzlich weist also die elektronische Synchronisationseinrichtung dieselbe Funktionalität auf wie eine mechanische Synchronisationseinrichtung mit einem Verzahnungselement. Allerdings gibt es bei Ausführungsformen mit elektronischer Synchronisationseinrichtung typischerweise keinen mechanischen Getriebeeingriff von dem Antrieb des Zahnstangengetriebes zu der Rotationsachse des Bürstenkopfes. Bei Ausführungsformen ist typischerweise ein Bürstenkopf-Antrieb vorgesehen, welcher mechanisch unabhängig die Rotationsbewegung des Bürstenkopfes bewirkt, also typischerweise mit dem Bürstenkopf höchstens durch ein Untersetzungsgetriebe verbunden ist, um den Bürstenkopf rotativ anzutreiben.
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Typische Ausführungsformen weisen ein Schmierritzel auf, welches zum Auftrag eines Schmiermittels auf die Zahnstange vorgesehen ist. Typischerweise wird das Schmierritzel an einer anderen Stelle entlang der Zahnstange vorgesehen, wie die Zahnstangenbürste, beispielsweise in Längsrichtung der Zahnstange vor oder hinter der Zahnstangenbürste.
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Typische Ausführungsformen umfassen einen Bürstenkopf, welcher Borsten aus Kunststoff oder aus Stahl aufweist. Kunststoff bietet den Vorteil einer billigen Herstellung und Stahl den Vorteil eines geringen Abriebs.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Zahnstangenbürste in einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen, um eine Zahnstange zu reinigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren zeigen:
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer typischen Ausführungsform einer Zahnstangenbürste;
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2 zeigt eine Draufsicht der typischen Ausführungsform der 1; und
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform in einer Prinzipskizze.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Die einzelnen Figuren werden nicht jeweils vollständig beschrieben, da sie teilweise dieselben Ausführungsform oder ähnliche Ausführungsformen zeigen. Insbesondere werden gleiche Teile im Zusammenhang mit neuen Figuren nicht nochmals geschrieben, es wird vielmehr auf die entsprechende Beschreibung mit den entsprechenden Bezugszeichen bei anderen Figuren verwiesen.
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In der 1 ist in einer schematischen Seitenansicht eine typische Ausführungsform einer Zahnstangenbürste 1 gezeigt. Die Zahnstangenbürste 1 umfasst eine Zahnstange 3 und einen Bürstenkopf 5 zum Reinigen der Zahnstange 3. Der Bürstenkopf 5 weist in einer Helix angeordnete Borsten 7 auf, welche lediglich schematisch durch Striche angedeutet sind. Die Borsten 7 umfassen Kunststoffstifte, welche zu Bündeln zusammengefasst sind. Die Borsten 7 unterscheiden sich in dieser Hinsicht nicht grundsätzlich von Borsten anderer Bürsten. Allerdings weisen die Borsten 7 oder die Helix der Borsten 7 eine Steigung entlang des Bürstenkopfes 5 auf, welche einem Schrägungswinkel einer Schrägverzahnung der schrägverzahnten Zahnstange 3 entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer Längsbewegung der Zahnstange 3 relativ zu dem Bürstenkopf 5 eine Rotationsbewegung des Bürstenkopfes 5 mit der Längsbewegung zu synchronisieren.
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Die Längsbewegung erfolgt als relative Längsbewegung des Bürstenkopfes 5 relativ zu der Zahnstange 3 entlang einer Richtung, welche mit einem Längsrichtungspfeil 11 angedeutet ist. Der Bürstenkopf 5 ist in Lagern 13 rotativ um eine Drehachse 15 gelagert, welche parallel zu dem Längsrichtungspfeil 11 ausgerichtet ist.
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Der Bürstenkopf 5 wird über ein Kegelradgetriebe in Rotation versetzt, wobei ein erstes Kegelrad 17 auf der Drehachse 15 des Bürstenkopfes 5 angeordnet ist und mit dem Bürstenkopf drehfest verbunden ist. Das erste Kegelrad 17 steht in Eingriff mit einem zweiten Kegelrad 19 (in der 1 lediglich schematisch angedeutet, da verdeckt), wobei das zweite Kegelrad 19 wiederum in Eingriff steht mit einem Verzahnungselement 21. Die beiden Kegelräder 17 und 19 bilden zusammen ein Winkelgetriebe, über welches das Verzahnungselement 21 rotativ mit dem Bürstenkopf 5 gekoppelt ist. Das Verzahnungselement 21 steht mit dem zweiten Kegelrad 19 und mit der schrägverzahnten Zahnstange 3 in Eingriff. Die Verzahnung des Verzahnungselementes 21, welche mit der Verzahnung der Zahnstange 3 in Eingriff steht, ist ebenso wie die Zahnstange 3 schrägverzahnt.
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Das Übersetzungsverhältnis des Verzahnungselementes 21 und der Kegelräder 17 und 19 ist derart, dass der Bürstenkopf 5 eine synchronisierte Rotationsbewegung mit der Längsbewegung der Zahnstange 3 relativ zu dem Bürstenkopf 5 durchführt. Damit bilden das Verzahnungselement 21 sowie die Kegelräder 17 und 19 eine Synchronisationseinrichtung zum Synchronisieren der Rotationsbewegung mit der Längsbewegung. Die Synchronisation ist typischerweise derart, dass der Bürstenkopf 5 wie eine Schnecke eines Schneckengetriebes mit der Verzahnung der Zahnstange 3 in Eingriff ist. Dabei bewirkt die Bewegung der Borsten entlang der Zahnflanken und entlang der Zahnköpfe der Zähne der Zahnstange eine Reinigungswirkung. Die Reinigungswirkung ist besonders vorteilhaft, da die Borsten nicht quer zu den Zähnen sondern in Längsrichtung der Zahnköpfe bewegt werden und damit auch den Zahngrund erreichen. Typischerweise werden die Rotationsbewegung und die Translationsbewegung derart synchronisiert, dass die Borsten auf einer Kreislinie abschnittsweise parallel zu dem Zahngrund bewegt werden.
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Der Bürstenkopf 5, die Kegelräder 17 und 19 sowie das Verzahnungselement 21 sind in einem Rahmen 23 aufgenommen, welcher fixiert mit einem Ritzel oder einem Ritzelantrieb verbunden ist, genauer gesagt mit einem jeweiligen Gehäuse eines Ritzelantriebes oder einer Lagervorrichtung des Ritzels. Der Ritzelantrieb entspricht dem Antrieb des Zahnstangengetriebes. Das Ritzel bewirkt dabei den Kraftübertrag zwischen dem Drehmoment des Antriebs des Zahnstangengetriebes und der Zahnstange.
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In der 2 ist die Ausführungsform der 1 in einer schematischen Draufsicht gezeigt, dabei bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile, so dass die einzelnen Teile nicht nochmals erläutert werden. Zu erkennen ist, dass das Verzahnungselement 21 zwei Zahnräder 210 und 211 aufweist, wobei das Zahnrad 210 ein schrägverzahntes Zahnrad ist, welches mit der Verzahnung der Zahnstange 3 in Eingriff steht. Das zweite Zahnrad 211 des Verzahnungselementes 21 ist fixiert mit dem ersten Zahnrad 210 des Verzahnungselementes 21 verbunden. Das zweite Zahnrad 211 des Verzahnungselementes 21 steht in Eingriff mit einem Antriebszahnrad 190, welches wiederum fixiert mit dem zweiten Kegelrad 19 verbunden ist. Dadurch werden das Drehmoment und die Drehbewegung vom Verzahnungselement 21 auf das zweiten Kegelrad 19 übertragen, welches wiederum mit dem ersten Kegelrad 17 ein Winkelgetriebe bildet zur Übertragung der Drehbewegung und des Drehmoments auf den Bürstenkopf 5.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform kann auch als Ausführungsform mit einer mechanischen Synchronisationseinrichtung beschrieben werden, wobei die mechanische Synchronisationseinrichtung das Verzahnungselement 21 mit den Zahnrädern 210 und 211 sowie das Winkelgetriebe mit den Kegelrädern 17 und 19 und dem Antriebszahnrad 190 umfasst. Insgesamt ergibt sich dabei eine Übersetzung, welche eine Synchronisation der Rotationsbewegung des Bürstenkopfes 5 mit der Längsbewegung des Bürstenkopfes 5 relativ zu der Zahnstange 3 bewirkt.
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In der 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Zahnstangenbürste 101 mit einer elektronischen Synchronisationseinrichtung gezeigt, wobei die elektronische Synchronisationseinrichtung eine Steuereinrichtung 30 umfasst. Wiederum werden für gleiche oder ähnliche Teile wie bei der Ausführungsform der 1 und 2 gleiche Bezugszeichen verwendet und unter Umständen nicht nochmals genauer erläutert.
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Die Steuereinrichtung 30 steuert einen Antrieb 32 des Zahnstangengetriebes an. Der Antrieb 32 des Zahnstangengetriebes ist rotativ mit einem Ritzel 34 verbunden, welches mit einer Zahnstange 3 in Eingriff steht.
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Die Zahnstangenbürste 101 der 3 umfasst weiterhin einen Bürstenkopf-Antrieb 40, welcher als elektrische Maschine ausgebildet ist. Damit umfasst die Ausführungsform der Zahnstangenbürste 101 der 3 zwei elektrische Maschinen, nämlich die elektrische Maschine des Antriebs 32 des Zahnstangengetriebes und die elektrische Maschine des Bürstenkopf-Antriebs 40. Der Bürstenkopf-Antrieb 40 sowie der Antrieb 32 des Zahnstangengetriebes werden beide durch die zentrale Steuereinrichtung 30 angesteuert. Der Bürstenkopf-Antrieb 40 ist rotativ, bei Ausführungsformen mit einem zwischengeschalteten Getriebe, mit dem Bürstenkopf 5 verbunden. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Antriebs 32 und des Bürstenkopf-Antriebs 40 wird erreicht, dass die Drehzahlen des Antriebs 32 und des Bürstenkopf-Antriebs 40 derart aufeinander abgestimmt sind, so dass der Bürstenkopf 5 eine synchronisierte Rotationsbewegung mit der Längsbewegung der Zahnstange relativ zu dem Bürstenkopf 5 ausführt. Dabei sind wiederum der Antrieb 32, der Bürstenkopf 5 und der Bürstenkopf-Antrieb 40 in einem gemeinsamen Rahmen 42 aufgenommen und verbunden, so dass eine Relativbewegung der Zahnstange 3 zu dem Antrieb 32 oder dem Ritzel 34 eine exakt gleiche relative Längsbewegung der Zahnstange 3 zu dem Bürstenkopf 5 bewirkt. Die Synchronisierung erfolgt wiederum derart, dass die Rotationsbewegung des Bürstenkopfs 5, welcher eine Mehrzahl von in einer Helix angeordneten Borsten 7 aufweist, wie eine Schnecke eines Schneckengetriebes mit der relativen Längsbewegung der Zahnstange 3 zusammenwirkt.
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Maße für ein typisches Ausführungsbeispiel sind zum Beispiel ein Durchmesser des Bürstenkopfes von 60 mm, eine Länge des Bürstenkopfes von 100 mm, eine Faserhöhe der Borsten von 15 mm, wobei die Borsten Helix-förmig mit einer linkssteigenden Steigung von 19,52° 3-gängig auf dem Bürstenkopf angeordnet sind. Auch möglich ist 6-gängig oder 2-gängig. Die gereinigte Zahnstange weist eine Breite von 29 mm und einen Schrägungswinkel der Schrägverzahnung von 19° auf.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf typische Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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