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Zugmitteltrieb zur Erzeugung von Hubbewegungen, insbesondere bei Nähmaschinen
Die Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb zur Erzeugung von Hubbewegungen unter
Verwendung voi Kurbeln, über welche .das Zugmittel geleitet wird insbesondere bei
Nähmaschinen.
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Für die Erzeugung von Hubbewegungen sind ein( Anzahl von Möglichkeiten
bekannt, die nach mechanischen, hydraulischen, pneumatischen und elektromagnetischen
Prinpzipien oder deren Kombinationer arbeiten.
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In diesem Zusammenhang sind Vorrichtungen bekannt, bei denen eine
endlose Kette ohne Durchhang über ein unrundes antreibendes Kettenrad, eine entsprechend
gestaltete Führungsrolle sowie ein einfaches anzutreibendes Kettenrad gelegt ist.
Wird das unrunde treibende Kettenrad einer solchen Vorrichtung in gleichförmige
Drehbewegung versetzt, so wird der Kette, entsprechend der Exzentrizität des Antriebsrades,
eine wechselnde Geschwindigkeit erteilt. Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch den
Nachteil, daß es erforderlich ist, die in die Kette eingreifenden Zähne auf unrunden
Rädern anzubringen. Es ist ferner nicht möglich, mit Hilfe derartiger Vorrichtungen
bei gleichförmig gedrehtem Antriebsrad einen vorübergehenden Stillstand oder gar
einen Rücklauf des angetriebenen Rades zu erzielen. Es ist ferner bekannt, bei einer
Vorrichtung, bei der eine endlose Kette das angetriebene und treibende Kettenrad
verbindet, den Kettendurchhang durch um einen Festpunkt drehbare Spannrollen aufzunehmen,
die unter Federspannung stehen. Durch diese Ausgestaltung wird eine Erleichterung
der Umdrehung des treibenden Rades bei dessen Einschalten ermöglicht.
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Ferner sind Vorrichtungen zur Erzeugung einer hin und her gehenden
Bewegung vom doppelten Hub des antreibenden hin- und hergehenden Maschinenteiles
bekannt, bei der ein über einen angetriebenen hin- und herbewegten Teil laufendes
Band an einer Stelle fest verankert ist und an einem gegenüberliegenden Punkt an
dem zu bewegenden Maschinenteil befestigt ist.
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Auch gehören Rollentriebe mit Geradschubkurbel zur Umwandlung von
Drehung in Schwingung zum Stand der Technik. Es ist möglich, mit Hilfe dieser Einrichtung
einfache sinusförmige Kehrdrehungen oder Kehrdrehungen für spiegelbildgleiche Schwingungen
durchzuführen. Die Verwendung derartiger Rollengetriebe kommt dabei im gesamten
Gebiet der Technik zur Anwendung.
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In sehr vielen Fällen, z. B. bei Werkzeugmaschinen, Nähmaschinen,
Verpackungsmaschinen, Verbrennungsmotoren, mechanischen Rechenautomaten usw., werden
Hubbewegungen verlangt, die einen sehr genau reproduzierbaren Zeit-Weg-Verlauf bzw.
Hubverlauf über einer Kurbeldrehung besitzen müssen. Hierbei müssen an den genannten
Maschinen sehr häufig zwei oder mehrere Hubverläufe in einem exakten Zeitverhältnis
zueinander stehen, um die gewünschten Funktionen, z. B. von Nadelstange, Fadenhebel,
Transporteur und Greifer, bei einer Nähmaschine zu erreichen. Diese Anforderungen
lassen sich nur mit mechanischen Hubantrieben erfüllen, weil die Darstellung eines
bestimmten Hubverlaufes mit hydraulischen, pneumatischen oder elektromagnetischen
Mitteln entweder gar nicht oder nur mit räumlich, konstruktiv oder wirtschaftlich
unzulässigem Aufwand möglich ist und daher nicht angewendet werden kann.
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Außer den Arbeitskräften sind bei Hubbewegungen die Beschleunigungskräfte
zu berücksichtigen, die vornehmlich bei großen Hubzahlen je Zeiteinheit häufig größer
werden als die Arbeitskräfte. Die Beschleunigungskräfte, häufig aber auch die Arbeitskräfte
treten bei linearen Hubbewegungen in beiden Bewegungsrichtungen auf, mit der Folge,
daß bei Änderung der Kraftrichtung das unvermeidbare Bewegungsspiel der Antriebselemente
bis zur entgegengesetzten Anlage der Gelenk- oder Führungsleitflächen wechselt.
Dieser mit »Spielwechsel« bezeichnete Vorgang verursacht durch das Anschlagen der
Gleitflächen die unerwünschten Bewegungsgeräusche. Außerdem sind mit dem Spielwechsel
vergrößerte Verschleißerscheinungen und unzulässige Fehler des Hubverlaufes verbunden.
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Zur Minderung bzw. Beseitigung dieser Fehler ist es allgemein üblich,
Gelenke und Führungen der Antriebselemente mit größtmöglicher Präzision herzustellen,
womit naturgemäß eine erhebliche Verteuerung der Maschine verbunden ist.
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Methoden, mit relativ großen Fertigungstoleranzen annähernd spielfreie
Hubgetriebe zu schaffen, sind
bekannt. Man verwendet den Spielausgleich
durch- federnde Elemente, ferner Einrichtungen zum Einstellen des Spieles und schließlich
das in der Getriebetechnik bekannte Prinzip der Gegendopplung.- Der Spielausgleich
mit federnden Elementen ist gleichzeitig mit einer Schwergängigkeit des Hubantriebes
verbunden und daher in den meisten Fällen unerwünscht. Einstellbare Ausgleichselemente
erfordern großen Aufwand, desgleichen die angeführte Gegendopplung.
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Die mechanische Erzeugung eines vorbestimmten Hubverlaufes wird entweder
.durch Kurvenscheiben oder .durch Koppelkurvengetriebe gelöst. Hierbei müssen alle
diesen Getrieben anhaftenden Mängel in Kauf genommen werden, die bei Kurvenscheiben
in ungünstigen Beschleunigungsverhältnissen und erschwerter Fertigung und bei Koppelkurvengetrieben
durch eine Vergrößerung der Gelenkzahl mit den verbundenen Nachteilen bestehen.
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Hubbewegungen mit genauem Sinusverlauf sind bisher nur durch Kurbelschleife
oder Kardankreispaare möglich. Ferner scheiterte bisher die Darstellung eines vorgegebenen
Hubverlaufes durch Addition reiner Sinusbewegungen nach der harmonischen Analyse
an dem nicht mehr vertretbaren mechanischen Aufwand oder an fehlenden mechanischen
Mitteln, sinoidische Hubbewegungen unterschiedlicher oder auch gleicher Phase und
Amplitude zu addieren.
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Der Gegenstand der Erfindung bezweckt nun, die aufgezeigten Nachteile
zu verbessern bzw. ganz zu vermeiden. Zu diesem Zweck besteht die Erfindung darin,
daß zwei an einem Ende ortsfest eingespannte flexible Zugelemente durch Leitrollen
unmittelbar über die auf einer treibenden Kurbelwelle um z. B. 180° versetzten Kurbelrollen
geleitet werden und mit ihrem anderen Ende in verschiedenen Richtungen an der Hubstange
befestigt sind, wobei durch Anordnung und Bemessung von Leitrollen, Kurbelrollen,
Kurbelradien und Rollenabständen phasensymmetrische Hubverläufe, die einer Sinusfunktion
angenähert werden können, darstellbar sind.
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Hierbei sind erfindungsgemäß zwei oder mehrere Bandkurbeltriebe bei
Verwendung von zwei durch alle Bandkurbeltriebe laufenden Zugelementen zur mechanischen
Erzeugung beliebiger Hubfunktionen hintereinandergeschaltet.
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Die Hublage der Hubstange ist bei Stillstand oder Betrieb beliebig
veränderbar, indem die ortsfesten Anschlußenden der Zugelemente gegenläufig verstellt
werden.
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Besonders betont sei dabei, daß die Erfindung in der Kombination der
technischen Mittel nach den vorliegenden Ansprüchen gesehen wird.
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Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt, es
zeigt Fig.1 einen über zwei Zugelemente verbundenen Bandkurbeltrieb in schematischer
Darstellung, Fig.2 zwei über zwei Zugelemente verbundene Bandkurbeltriebe in schematischer
Darstellung, Fig. 3 zwei über drei - Zugelemente verbundene Bandkurbeltriebe in
schematischer Darstellung. Gemäß Fig. 1 sind an- einer Hubstange 1, welche die Hubbewegung
auszuführen hat, mit den Klemmstücken 2 und 3 die flexiblen `Zugelemente 4 und 5
befestigt. Die Zugelemente 4 und 5 werden in entgegengesetztem Sinne durch die Leitrollen
6 und 7 umgelenkt und zu den Leitrollen 10 und 11 geführt. Die Leitrollen 6 und
7 sind auf der ortsfesten Achse 8 und die Leitrollen 10 und 11 auf der ortsfesten
Achse 9 drehbar gelagert. Die Zugelemente 4 und 5 werden an den Leitrollen 10 und--
`11 in gleichem Sinne zu den Kurbelrollen 12 und 13 umgelenkt; von dort aus verlaufen
die Zugelemente 4 und 5 über die Rollen 18 und 19 zu den ortsfesten Klemmstellen20
und 21. Die Kurbelrollen 12 und 13 sind auf den Kurbelzapfen 14 und 15 der Kurbelwelle
16 angeordnet. Der Kurbelradius ist .gleich dem Abstand der Mittellinien von Kurbelzapfen14
bzw. 15 zur Mittellinie der Kurbelwelle 16. Die Kurbelrollen 12 und 13 haben gleichen
Durchmesser und gleichen Radius. Der Antrieb der Hubbewegung der Hubstange l erfolgt
durch eine Drehbewegung der Kurbelwelle 16.
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Die Leitrollen 18 und 19, ortsfest gelagert auf der Achse 17, brauchen
gemäß Fig. 1 keine Drehbewegung auszuführen. Sie können daher durch Wälzsegmente
mit dem gleichen Radius, wie Leitrollen 18 und 19, ersetzt werden.
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Die ortsfesten Klemmste11en20 und 21 befinden sich an j e einem Einstellelement
22 und 23, welches sich in dem gehäusefesten Lagerbock 53 abstützt. Die Einstellelemente
22 und 23 dienen zum Spannen der Zugelemente4 und 6 bzw. zum Einstellen der Hublage
der Hubstange 1.
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Wird die Kurbelwelle 16 gedreht, so beschreiben die Mittelpunkte 14
und 15 der Kurbelrollen 12 und 13 eine Kreisbahn mit dem Kurbelradius. Das Zugelement
4 wird daher z. B. gezogen, während das Zugelement 5 nachgelassen wird, bzw. umgekehrt.
Durch die Zugbewegung des Zugelementes 4 bzw. 5 wird die Hubstange l in .der entsprechenden
Hubrichtung bewegt. Die Hubstange l zieht ,gleichzeitig das nachgelassene Zugelement
5 bzw. 4 nach und hält die einmal eingestellte Spannung der Zugelemente4 und 5 aufrecht.
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Bei dem mit Fig. 1 dargestellten Bandkurbeltrieb sind keine die Spannung
der Zugelemente 4 und 5 ausgleichenden Spannrollen vorgesehen, die üblicherweise
durch Federwirkung Spannungs- bzw. Längenunterschiede ausgleichen.
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Bei den Bandkurbeltrieben sind federnde Spann-oder Ausgleichsrollen
vermieden. Hieraus erwächst die Bedingung, daß für eine beliebige Drehung der Kurbelwelle
16 das eine Zugelement 4 bzw. 5 um den gleichen Betrag angezogen werden muß, wie
das andere Zugelement 5 bzw. 4 nachgelassen wird. Hieraus ergibt sich die Bedingung
für jedes einzelne Zugelement 4 oder 5; daß dessen Hubverlauf über der ersten Halbphase
symmetrisch zu derjenigen über der zweiten Halbphase sein muß.
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Die genannten Bedingungen werden in dem Bandkurbeltrizb gemäß Fig.
1 dadurch erfüllt, daß die Abstände der Achsen 9 und 17 zur Kurbelwelle 16, der
Abstand zwischen den Achsen 9 und 17, der Durchmesser der Rollen 10, 11, 12, 13,
18 und 19 sowie der Kurbelradius (Mittenabstand Kurbelwelle 16 zum Kurbelzapfen
14 bzw. 15) zueinander in ein bestimmtes Verhältnis gebracht werden. Durch entsprechende
Wahl dieser Verhältnisse können außerdem praktisch genau sinusförmige Hubverläufe
erzielt werden.
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Der Antrieb gemäß Fig.1 benötigt also keine federnden Ausgleichselemente
für die Spannung der Zugelemente 4 und 5.
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Die Hublage der Hubstange 1 kann durch gegenläufiges Verstellen der
Einstellellenvente22 und 23 verändert werden, die Gegendopplung zur Eliminierung
des Bewegungsspieles ist durch die einfache Anwendung zweier Zugelemente 4 und 5
verwirklicht. Durch Anwendung weiterer Leitrollen, ähnlich 6, 7, 10 und 11, kann
die örtliche Lage der Hubstange l zur Antriebskurbelwelle 16 in weiten Grenzen variiert
werden, ohne die Gesamtfunktion zu verändern.
Die Vorrichtung gemäß
Fig.2 stellt zwei über diE Zugelemente 4, 5 verbundene Bandkurbeltriebe dar von
denen jedes für sich nach dem gleichen Prinzil arbeitet. Die Hubstange 1, welche
eine bestimmte si. noidische oder nichtsinoidische Hubbewegung aus. führen soll,
wird über die Zugelemente 4, 5 angetrieben. Das Zugelement 4 wird über die Leitrolle
6 mit der ortsfesten Achse 8 und das Zugelement 5 übel .die Leitrolle 7 mit der
Achse 8' zum ersten Bandkurbeltrieb geleitet. Dieser Band!kurbeltrieb besteht aus
den Leitrollen 10 und 11 mit der ortsfesten Achse 9, der Kurbelwelle 16 mit den
Kurbelrollen 12. 13, welche auf den Kurbelzapfen 14, 15 frei drehbar sind.
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Die Leitrollen 10', 11' mit der ortsfesten Achse9' gehören zum zweiten
Bandkurbeltrieb, dem die Zugelemente 4, 5 über die Leitrollen 10', 11' zugeführt
werden. Dieser Bandkurbeltrieb besteht aus der Kurbelwelle 16' mit den Kurbelrollen
12', 13' und den zugehörigen Kurbelzapfen 14', 15'.
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Die Zugelemente 4, 5 werden von dort über die Leitrollen 18, 19 mit
der ortsfesten Achse 17 zu den Befestigungsstellen 20, 21 geführt. Diese befinden
sich an ortsfest montierten Einstellelementen 22, 23, welche die Aufgabe haben,
die Zugelemente4, 5 straff zu spannen, um nach dem bekannten Prinzip der Gegendopplung
an allen Lagerstellen gleichzeitig das Spiel zu eliminieren.
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Jedes der beiden Bandkurbeltriebe erzeugt für sich eine phasensymmetrische
Hubbewegung, die, wie beschrieben, einer Sinusbewegung praktisch genau angenähert
werden kann. Wird z. B. ein Bandkurbeltrieb stillgesetzt, so führt der Schlitten
24 nur die vom jeweilig arbeitenden Bandkurbeltrieb erzeugte Hubbewegung aus. Wird
nun der zweite Bandkurbeltrieb in Bewegung gesetzt, so addiert sich die von diesem
hervorgerufene Hubbewegung zu derjenigen des anderen Bandkurbeltriebes, entsprechend
der jeweiligen Phasenlage. Die Hubstange 1 führt die Hubbewegung aus, die sich als
Summe aus beiden Bandkurbeltrieben ergibt.
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Da auf Grund der Getriebeauslegung, wie analog in Fig. 1 beschrieben,
während des Betriebes das gestreckte Fadenmaß (die gestreckte Länge der Linie von
21 über 19, 13', 11; 13, 11, 7, 6, 10, 12, 10', 12', 18 bis 20) der Zugelemente
4, 5 konstant bleibt, sind teeinerlei Ausgleichsrollen erforderlich.
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Entsprechend der Hubaufgabe oder Funktion der Hubstange 1 können die
Kurbelwellen 16, 16' unabhängig voneinander gedreht oder auch bezüglich ihrer Drehzahl
oder Phasenlage in ein festes Verhältnis gebracht werden. Außerdem können je nach
Anforderungen die Einzelhubbewegungen der Kurbelwellen 16, 16' gleich oder unterschiedlich
ausgeführt werden.
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Unter Verwendung -bekannter Elemente, z. B. Planetentriebe, kann die
Phasenlage beider Kurbelwellen 16, 16' während des Betriebes verändert werden. Werden
unter Verwendung dieser Möglichkeit beide Kurbelwellen 16, 16' z. B. mit dem gleichen
Kurbelradius ausgeführt und mit der genau gleichen Drehzahl in Betrieb gesetzt,
so liegt ein Getriebe vor, das die stufenlose Hubverstellung der Hubstange 1 von
Null bis zu einem Maximum erlaubt. Andere Ausführungen sind durchführbar, bei denen
sich die Hubcharakteristik der Hubstange 1 während des Betriebes ändern läßt; z.
B. Kurbelwelle 16' läuft mit der doppelten Drehzahl der Kurbelwelle 16 und läßt
sich außerdem in ihrer Phasenlage, wie oben angedeutet, verstellen.
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Entsprechend der Fig.2 lassen sich gemäß Fig.3 mehrere, theoretisch
beliebig viele Bandkurbeltriebe, beispielsweise drei Zugelemente 25, 26, 27, hintereinanderschalten,
so daß die mechanische Anwendung der harmonischen Analyse für Hubbewegungen in sehr
weiten Grenzen und mit beliebig vielen Varianten möglich ist und die mechanische
Verwirklichung fast jeden Hubverlaufes auf einfache Art gestattet. Hierbei ist,
da das gestreckte Fadenmaß konstant bleibt, die vollkommene Anwendung der Gegendopplung
zum Spielausgleich an allen Lagerstellen verwirklicht.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß sich mit dem Verfahren und
dessen Ausführungsmittel, das hierbei das sehr einfach auszuführende Prinzip der
Gegendopplung voraussetzt, selbst bei großen Toleranzen ein praktisch spielfreier
Getriebelauf erreichen läßt. Ferner ist auch auf einfachem Wege die Möglichkeit
gegeben, sinoidische Hubbewegungen gleicher oder verschiedener Phasen und Amplituden
im Sinne der harmonischen Analyse zu einem vorbestimmten Hubablauf zu addieren.
Der erfindungsgemäße Zugmitteltrieb läßt sich nicht nur bei Nähmaschinen anwenden,
sondern ist ,gleichzeitig für Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen, Verbrennungsmotoren,
mechanischen Rechenautomaten od. dgl. geeignet, und zwar dort, wo Hubbewegungen
verlangt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr.
79 013, 261378, 544 941; Jahr-Knechtel, »Grundzüge der Getriebelehre«, z. Band,
Fachbuch-Verlag Leipzig, 1956, S. 89 bis 93.