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Die Erfindung betrifft eine Zahnstange für Greiferwebmaschinen.
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Bei bekannten Greiferwebmaschinen werden einzelne Schussfäden von einem Greiferkopf geklemmt und durch das offene Webfach geführt. In der Mitte des Webfachs übernimmt ein zweiter Greiferkopf, der von der anderen Seite des Webfachs dem ersten Greiferkopf entgegenkommt, den Faden und zieht ihn die zweite Weghälfte durch das Webfach. Beide Greiferköpfe sind an jeweils einem freien Ende einer Zahnstange angeordnet, die jeweils von einem Zahnrad getrieben werden und für die reziproke Bewegung der beiden Greiferköpfe durch die jeweilige Hälfte des Webfachs sorgen.
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Bei bekannten Greiferwebmaschinen sind die Zahnstangen aus Polyamid gefertigt. Dieser Werkstoff kommt bei hohen Maschinendrehzahlen an seine mechanische Belastungsgrenze.
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Im Zuge der wachsenden mechanischen Anforderungen aufgrund höherer Maschinendrehzahlen sind verschiedene Lösungen für eine erhöhte Standfestigkeit der Zahnstange vorgeschlagen worden. Aus der
DE 35 27 202 A1 ist beispielsweise bekannt, eine Zusatzschicht aus PTFE auf das Zahnprofil einer Zahnstange zu pressen, wobei die Zahnstange selbst aus Carbonfaser-Verbund-Schichten aufgebaut ist. Dieser Verbund hat sich allerdings als zu steif und zu abrasiv herausgestellt.
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Entsprechend der
EP 394 639 A1 sind Prepreg-Streifen aus Carbonfaser-verstärktem Kunststoff (CFK) in einem Prägevorgang zu einem wellblechartigen Zahnprofil geformt. Dabei orientieren sich die CFK-Fasern im Prepreg in Beanspruchungsrichtung der Verzahnung. Anschließend wird dieses Zahnprofil in einem im Querschnitt U-förmigen Kunststoffträger eingeklebt. Die Klebung zwischen Zahnprofil und Träger erfolgt entweder am Zahnfuß und/oder durch Auffüllen der Zwischenräume innerhalb des Trägers.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zahnstange mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Entsprechend der Erfindung wird eine Zahnstange vorgeschlagen, die einen Kunststoff-Grundkörper mit einem Zahnprofil aufweist. Auf dem Grundkörper ist eine Faserverbund-Kunststoff-Schicht mit endlosen Verstärkungsfasern vorgesehen, die dem Zahnprofil des Grundkörpers in Längsrichtung der Zahnstange über mehrere Zähne, also mindestens zwei Zähne, folgt, d.h. keine Unterbrechung in der Faserverbund-Kunststoff-Schicht über diese Anzahl von Zähnen vorhanden ist. Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass sich durch die zusätzliche hochfeste und sehr steife Faserverbund-Kunststoff-Schicht an der Zahnoberfläche, die sich über mehrere Zähne erstreckt, eine hohe Standfestigkeit ergibt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine lokale Erhöhung der Festigkeit der Zahnoberfläche erreicht, so dass die Einflüsse der Hertzschen Pressung entscheidend verringert werden. Hierdurch wird die Standfestigkeit der Zahnstange erhöht und Ausbrüche an insbesondere den Zahnflanken werden vermieden.
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Demnach wird durch die Kombination der Faserverbund-Kunststoff-Schicht mit dem Grundkörper, der elastisch, schlagzäh und unverstärkt ist, eine optimale Gesamtsteifigkeit bzw. eine Gesamtelastizität der Zahnstange realisiert.
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Mittels der erfindungsgemäßen Zahnstange können hohe Maschinendrehzahlen erreicht, die Lebensdauer der Zahnstange verlängert, der Greiferlauf verbessert und Frühausfälle vermieden werden.
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Der Grundkörper, der nicht endlosfaserverstärkt ausgebildet ist, besteht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Duroplasten. Es kommen hier beispielsweise Harz-Verbindungen zum Einsatz, wie Polyurethan-Harze oder schlagzähe Epoxidharze. Als ein beispielhafter Thermoplast kann Polyamid verwendet werden. Auch können Elastomere zum Einsatz kommen. In den Kunststoff des Grundkörpers können kurze und/oder lange Fasern und/oder geeignete, dem Fachmann bekannte Partikel eingebettet sein.
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Der Kunststoff der Faserverbund-Kunststoff-Schicht ist besonders bevorzugt ein Duroplast, beispielsweise in Form einer duroplastischen HarzVerbindung, z.B. in Form von Polyurethan-Harzen oder Epoxidharzen. Es sind jedoch auch Thermoplaste verwendbar, beispielsweise als Bestandteil von Organoblech oder hergestellt mittels In-situ-Polymerisation.
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Je höher der Anteil an endlosen Verstärkungsfasern in der Faserverbund-Kunststoff-Schicht, desto größer ist deren Steifigkeit und Festigkeit.
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Besonders bevorzugt bestehen die Verstärkungsfasern aus Carbonfasern, Polymerfasern (wie beispielsweise Aramidfasern), Glasfasern oder aus Mischungen aus den vorgenannten Fasern. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Faserverbund-Kunststoff-Schicht Carbonfasern in Form von Endlosfasern, vorteilhafterweise sogar ausschließlich. Die Faserverbund-Kunststoff-Schicht ist dann eine reine CFK-Schicht. Bekanntermaßen sind Carbonfasern sehr zugfest und abriebarm.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung der Faserverbund-Kunststoff-Schicht vorteilhafterweise ein Prepreg verwendet, insbesondere ein duroplastisches Prepreg, beispielsweise auf Polyurethan- oder Epoxidharz-Basis. Gemäß einer Alternative findet ein ursprünglich trockenes Faserhalbzeug Verwendung, in das Harz infiltriert ist. Bei einer dritten Möglichkeit kommt ein thermoplastisches, multiaxiales, Wärme-umgeformtes Organoblech zum Einsatz. Prinzipiell sind die verschiedenen Techniken dem Fachmann gut bekannt, so dass hier nicht weiter auf sie eingegangen werden muss.
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Die Faserverbund-Kunststoff-Schicht kann aus einer oder mehreren Lagen mit jeweils endlosen Verstärkungsfasern bestehen. Im letztgenannten Fall verlaufen die Verstärkungsfasern zumindest in zwei dieser Lagen in unterschiedlichen Winkeln, sind also multiaxial ausgerichtet. Eine solche Multiaxialität wird insbesondere bei Gelegen durch zwei oder mehr in unterschiedlichen Winkeln gelegte Verstärkungsfasern erreicht. Die Winkelverläufe der Endlosfasern können beispielsweise bei zwei Lagen -45° und +45° zur Längsrichtung der Zahnstange betragen. Andere Winkelausrichtungen sind ohne weiteres möglich, sowohl bei zwei also auch bei mehreren Verstärkungsfaserlagen. Durch eine multiaxiale Ausrichtung der Verstärkungsfasern können eingeleitete Lasten besser verteilt werden.
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Bei einem Gewebe mit endlosen Verstärkungsfasern können die Verstärkungsfasern in den verschiedenen Lagen ebenfalls winklig zueinander verlaufen, insbesondere rechtwinklig.
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Besonders bevorzugt liegen die endlosen Verstärkungsfasern parallel zur Zahnflankenoberfläche, so dass entlang des Oberflächenverlaufs die größte Steifigkeit und Zugfestigkeit erreicht wird.
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Alternativ, aber bevorzugt zusätzlich zu parallel zur Zahnflankenoberfläche liegenden endlosen Verstärkungsfasern kann die Faserverbund-Kunststoff-Schicht Wirrfasern enthalten. Sind die parallel zur Zahnflankenoberfläche liegenden endlosen Verstärkungsfasern endlose Carbonfasern, werden vorzugsweise Carbon-Wirrfasern verwendet. Ein Anteil an Wirrfasern kann gleichfalls zur gewünschten Verstärkung bzw. zur weiteren Homogenisierung beitragen, d.h. die eingeleiteten externen Lasten werden besser verteilt und somit von der Struktur besser aufgenommen. Gleichzeitig tragen Wirrfasern zur Kosteneinsparung bei, da Carbon-Wirrfasern preisgünstiger sind als Carbon-Endlosfasern.
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Besonders bevorzugt ist der Grundkörper als Hinterfüllung unter der Faserverbund-Kunststoff-Schicht ausgebildet. Hierzu wird der Kunststoff des Grundkörpers in flüssiger Form in eine Kavität unterhalb der Faserverbund-Kunststoff-Schicht eingebracht und härtet dort aus. Entsprechende Techniken mit den dazu gehörigen Formen sind dem Fachmann bekannt. Diese Methode hat den Vorteil einer optimalen Haftung der Faserverbund-Kunststoff-Schicht auf dem Grundkörper, so dass der gewünschte Kombinationseffekt von hoher Verschleißfestigkeit bei großer Elastizität erreicht werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Grundkörper zwei in seiner Längsrichtung parallel verlaufende Seitenschultern aufweist, welche in Querrichtung des Grundkörpers voneinander beabstandet sind und die Seitenkanten der Faserverbund-Kunststoff-Schicht einrahmen. Die Seitenschultern dienen einerseits zur seitlichen Verankerung der Faserverbund-Kunststoff-Schicht zur Längskraftübertragung und zur äußeren Formgebung der Zahnstange, so dass diese insbesondere von einem Greiferrohr formschlüssig aufgenommen werden kann.
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Besonders bevorzugt sind die Seitenkanten der Faserverbund-Kunststoff-Schicht in den besagten Seitenschultern eingebettet. In die freigelassenen Bereiche der Faserverbund-Kunststoff-Schicht greift ein Zahnrad ein. Es wird somit eine kompakte und stabile Einheit aus Grundkörper und Faserverbund-Kunststoff-Schicht erhalten.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich die Faserverbund-Kunststoff-Schicht in Längsrichtung der Zahnstange über mehr als zwei Zähne des Zahnprofils, beispielsweise über fünf oder zehn Zähne. Ein Zahn umfasst hierbei einen Zahnkopf und einen Zahnfuß.
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Es können sich mehrere Segmente mit der gleichen oder unterschiedlichen Anzahl von aufeinanderfolgenden Zähnen abwechseln, wobei die Segmente in Längsrichtung der Zahnstange hierbei durch nicht Faserverbund-Kunststoff-verstärkte Bereiche voneinander beabstandet sein können. Vorteilhafterweise sind die Segmente allerdings auf Stoß aneinandergesetzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hingegen ist die Faserverbund-Kunststoff-Schicht durchgehend ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Grundköper mindestens eine Aussparung auf seiner dem Zahnprofil abgewandten Seite auf. Derartige Aussparungen reichen hierbei vorzugsweise nicht bis an die Seiten der Zahnstange. Sie reduzieren die Masse der Zahnstange, so dass bei deren reziproker Bewegung durch das offene Webfach geringere Trägheitsmassen beschleunigt werden müssen. Da die Steifigkeit der Zahnstange durch solche Aussparungen in der Regel herabgesetzt wird, kann bei Bedarf durch eine entsprechende Materialwahl der Elastizitätsmodul des Grundkörpers erhöht werden.
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Gemäß einer diesbezüglichen, vorteilhaften Ausführungsform weist der Grundkörper in seiner Längsrichtung mehrere hintereinander angeordnete Aussparungen auf, wobei die Aussparungen hierbei vorzugsweise unter zumindest einigen der Zahnköpfe vorgesehen sind.
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Alternativ oder zusätzlich sind mindestens zwei besagte Aussparungen in Querrichtung des Grundkörpers nebeneinander angeordnet, die von einem Steg getrennt sind. Der Steg übernimmt hier auch eine Versteifungsfunktion. Mehrere dieser Paare von Aussparungen sind vorzugsweise in Längsrichtung der Zahnstange hintereinander angeordnet, bevorzugt jeweils ein Paar unter einem Zahnkopf.
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Die Faserverbund-Kunststoff-Schicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,2 und 2 mm und hierbei weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 1,5 mm auf. Diese Dicke hat sich als sehr geeignet für die Erhöhung der Verschleißfestigkeit erwiesen. Größere Dicken wären sehr schwer und damit unerwünscht.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist eine obere Abschlussschicht auf der Faserverbund-Kunststoff-Schicht angeordnet, welche ebenfalls dem besagten Zahnprofil des Grundkörpers folgt. Eine solche obere Abschlussschicht kann speziellen Anforderungen angepasst sein, beispielsweise ist sie als Verschleißoberfläche und/oder zur Reibungsminderung ausgebildet.
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Die Erfindung umfasst ebenfalls eine Greiferstange mit einem Greiferrohr aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, in das die erfindungsgemäße Zahnstange formschlüssig eingezogen ist. Das Greiferrohr ist im Verhältnis zur Zahnstange sehr steif ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem pultrudierten Kunststoff, vorzugsweise einem Carbonfaser-verstärkten Kunststoff. Das verhältnismäßig steife Greiferrohr verleiht der Greiferstange die notwendige Stabilität, während die demgegenüber elastischere Zahnstange mit der verstärkenden Faserverbund-Kunststoff-Schicht für den permanenten Zahneingriff wichtig ist.
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Das Greiferrohr weist im Querschnitt bevorzugt ein C-förmiges Profil auf, welches den Grundkörper von drei Seiten aufnimmt. Die Zahnoberfläche der Zahnstange liegt hierbei frei, damit ein Zahnrad mit den Zähnen kämmen kann.
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Schließlich betrifft die Erfindung einen Greifer für Greiferwebmaschinen mit einer wie vorgenannt ausgebildeten Greiferstange sowie einem auf der Greiferstange angeordneten Greiferkopf.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische, teilweise gebrochene Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Zahnstange mit einer an seinen Seitenkanten in einen Grundkörper eingebetteten Faserverbund-Kunststoff-Schicht;
- 2 eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Faserverbund-Kunststoff-Schicht;
- 3 eine perspektivische, teilweise gebrochene Ansicht auf die Unterseite der Zahnstange gemäß der 2;
- 4 eine Zahnstange gemäß der 1;
- 5 ein Greiferrohr, das zur Aufnahme einer Zahnstange gemäß der 2-4 dient,
- 6 eine erste perspektivische Ansicht eines Greifers mit einer Greiferstange, bestehend aus Greiferrohr und Zahnstange, und mit einem Greifer, und
- 7 den Greifer der 6 in einer zweiten perspektivischen Ansicht.
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Zahnstange 1 für eine Greiferwebmaschine (nicht dargestellt), wobei die Zahnstange 1 aus einem Grundkörper 2 und einer Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 besteht. Der Grundkörper 2 ist besonders bevorzugt aus einer ausgehärteten duroplastischen Harzverbindung, wobei hierzu z.B. ein Polyurethan-Harz oder ein Epoxidharz mit entsprechend zugesetzten Additiven zum Einsatz kommt, oder einem Thermoplast, beispielsweise Polyamid. Es können zudem Füllstoffe in Form von Fasern und/oder Partikeln zugesetzt sein.
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Der Grundkörper 2 weist einen Boden 7 und zwei in Längsrichtung L der Zahnstange 1 parallel verlaufende Seitenschultern 8 auf, die in Querrichtung Q der Zahnstange 1 beabstandet verlaufen. Der Grundkörper 2 weist ein Zahnprofil 3 mit einer Vielzahl von identischen Zähnen 4 auf, das zwischen den beiden Seitenschultern 8 in Längsrichtung L der Zahnstange 1 ausgebildet ist. Die Zähne 4 weisen hierbei in bekannter Art und Weise Zahnfüße 5 und Zahnköpfe 6 auf, wobei die Zahnköpfe 6 des Grundkörpers 2 knapp unterhalb der Oberkante der Seitenschultern 8 liegen.
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Auf dem Grundkörper 2 ist erfindungsgemäß eine Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 ausgebildet, die ebenfalls ein Zahnprofil 13 aufweist, welches dem Zahnprofil 3 des Grundkörpers 2 folgt. Die Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 weist demnach ebenfalls Zähne 14 mit Zahnfüßen 15 und Zahnköpfen 16 auf (s. 2). Hierbei folgt die Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11, d.h. ohne Unterbrechungen in ihrem Verlauf aufzuweisen, dem Zahnprofil 3 über mehrere Zähne 4, d.h. über mindestens zwei Zähne 4, vorzugsweise sogar über die gesamte Länge des Grundkörpers 2, so dass eine durchgängige Verstärkung der Zahnflanke des Grundkörpers 2 erreicht wird.
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Die Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 ist aufgebaut aus einem Kunststoff, in den Verstärkungsfasern 12 eingebettet sind (s. 2, wo die Verstärkungsfasern 12 angedeutet sind). Der Kunststoff ist beispielsweise ein Duroplast in Form eines Polyurethan-Harzes. Die Verstärkungsfasern 12 sind zumindest teilweise, bevorzugt in Gänze, Endlosfasern, die zudem besonders bevorzugt von Carbonfasern gebildet sind. Es können aber auch Glasfaser oder Polymerfasern (z.B. Aramidfasern) oder Mischungen aus den genannten Fasern verwendet werden. Vorzugsweise laufen die Verstärkungsfasern 12 hierbei parallel zur Zahnflankenoberfläche. Zusätzlich zu den endlosen Verstärkungsfasern 12 können Wirrfasern als weitere Verstärkungsfasern 12 der Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 zugesetzt sein, beispielsweise Carbon-Wirrfasern.
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Um die Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 zu erhalten, wird beispielsweise ein duroplastisches Prepreg verwendet, d.h. ein mit Reaktionsharz vorimprägniertes (englisch: pre-impregnated) textiles Faser-Matrix-Halbzeug, das unter Temperatur und Druck ausgehärtet wird. Alternativ kann beispielsweise auch ein Organoblech zum Einsatz kommen, das aus einem Fasergewebe oder einem Fasergelege besteht, das in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist. Dem Fachmann sind derartige Techniken gut bekannt.
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Die endlosen Verstärkungsfasern 12 sind besonders bevorzugt in mehreren Lagen angeordnet wie dies in 2 angedeutet ist. Vorliegend sind drei Orientierungen angedeutet. In einer Lage verlaufen die Verstärkungsfasern in Längsrichtung L der Zahnstange 1, während die Verstärkungsfasern 12 in den anderen beiden Lagen in dem dargestellten Fall im 90°-Winkel zueinander angeordnet sind und gegenüber der Längsrichtung L der Zahnstange 1 einen Winkel von -45° bzw. +45° einnehmen.
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Der Grundkörper 2 ist vorliegend als Hinterfüllung unter der Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 ausgebildet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass keine unerwünschten Zwischenräume zwischen den beiden Zahnprofilen 3 und 13 vorhanden sind. Zudem wird vorliegend eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 2 und der Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 erreicht, indem die Seitenkanten 18 der Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 in den Seitenschultern 8 des Grundkörpers 2 durch Eingießen eingebettet sind (s. 1 und 2). Die Breite der Einbettung auf beiden Seiten der Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 beträgt einige Millimeter. Auf diese Weise wird eine stabile Zahnstange 1 realisiert.
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In der 3 ist ein Ausschnitt des Bodens 7 der Zahnstange 1 wiedergegeben. Hier sind unter jedem Zahnkopf 6 je zwei in Querrichtung Q der Zahnstange 1 durch einen Steg 10 voneinander beabstandete Aussparungen 9 in dem Grundkörper 2 vorhanden, die beispielsweise im Zuge der Hinterfüllung erzeugt werden. Durch diese Aussparungen 9 kann das Gewicht der Zahnstange 1 reduziert werden, so dass größere Beschleunigungen und damit höhere Maschinendrehzahlen erreicht werden können. Zwar sinkt die Steifigkeit der Zahnstange 1 durch die Aussparungen 9. Dies ist aber entweder nicht von Relevanz oder kann durch eine Materialanpassung für den Kunststoff und ggf. darin enthaltene Füllstoffe des Grundkörpers 2 ausgeglichen werden.
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In der 4 ist schließlich eine Zahnstange 1 dargestellt, wie sie dann in ein Greiferrohr 23 entsprechend der 5 formschlüssig eingezogen werden kann. Das Greiferrohr 23 besteht vorzugsweise aus einem Carbonfaser-verstärkten Kunststoff und ist mittels Pultrusion hergestellt. Es weist ein C-Profil mit einem Boden 24 und an ihren Oberkanten leicht umgebogenen Seitenwänden 25 auf. Auf diese Weise wird ein Innenraum 26 erhalten, in den die Zahnstange 1 von der Stirnseite des Greiferrohrs 23 formschlüssig eingezogen wird. Hieraus resultiert eine sog. Greiferstange 22, wie sie in 6 dargestellt ist.
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In den 6 und 7 ist schließlich ein Greifer 20 für Greiferwebmaschinen dargestellt. Der Greifer umfasst eine Greiferstange 22, die ihrerseits ein Greiferrohr 23 aus vorzugsweise Carbonfaser-verstärktem Kunststoff und eine darin formschlüssig eingezogene Zahnstange 1 umfasst, sowie einen auf der Greiferstange 22 angeordneten Greiferkopf 28. Eine solche Anordnung eines Greifers ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind. So kann beispielsweise eine Deckschicht oder Außenschicht auf der Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 angebracht sein. Diese Außenschicht kann als Verschleißschutz und/oder zur Reibungsminderung dienen. Auch kann die Faserverbund-Kunststoff-Schicht 11 in Längsrichtung L der Zahnstange 1 in mehrere beabstandete oder auf Stoß angeordnete Segmente unterteilt sein, wobei jedoch zumindest ein Segment sich über mindestens zwei Zähne 4 des Grundkörpers 2 erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnstange
- 2
- Grundkörper
- 3
- Zahnprofil
- 4
- Zahn
- 5
- Zahnfuß
- 6
- Zahnkopf
- 7
- Boden
- 8
- Seitenschulter
- 9
- Aussparung
- 10
- Steg
- 11
- Faserverbund-Kunststoff-Schicht
- 12
- Verstärkungsfasern
- 13
- Zahnprofil der Faserverbund-Kunststoff-Schicht
- 14
- Zahn der Faserverbund-Kunststoff-Schicht
- 15
- Zahnfuß der Faserverbund-Kunststoff-Schicht
- 16
- Zahnkopf der Faserverbund-Kunststoff-Schicht
- 18
- Seitenkanten
- 20
- Greifer
- 22
- Greiferstange
- 23
- Greiferrohr
- 24
- Boden
- 25
- Seitenwände
- 26
- Innenraum
- 28
- Greiferkopf
- L
- Längsrichtung der Zahnstange
- Q
- Querrichtung
