DE1108036B - Vielstufiges Zahnraederwechselgetriebe, insbesondere fuer Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein insbesondere für Werkzeugmaschinen bestimmtes Zahnräderwechselgetriebe, bei dem der Stufenwechsel durch Umschalten von pneumatisch betätigten Klauenkupplungen erfolgt.

Bei automatisch gesteuerten Werkzeugmaschinen wird auch die Drehzahl des Hauptantriebes selbsttätig von einer Programmschaltanlage aus gewechselt. Für diesen Zweck werden bisher vor allem Elektromagnetkupplungen verwendet, welche jeweils ein Zahnrad der betreffenden Geschwindigkeitsstufe mit seiner Welle kuppeln. Dadurch ist in einem vielstufigen Zahnräderwechselgetriebe eine große Anzahl von Elektromagnetkupplungen erforderlich, die einen erheblich größeren Raumbedarf als mechanische Klauenkupplungen haben. Sie bedingen wesentlich größere Achsabstände und entsprechend größere Zahnräder, wodurch vor allem bei großen Leistungen sowohl die Abmessungen als auch die Herstellungskosten solcher Getriebe erhöht werden. Dieser Übelstand macht sich besonders bei einem vielstufigen Zahnräderwechselgetriebe bemerkbar.

Durch die Erfindung wird bezweckt, ein vielstufiges, pneumatisch betätigtes Zahnräderwechselgetriebe zu schaffen, bei dem ein Stufengetriebe mit Klauenkupplungen und mit den dem Getriebe vorgeschalteten Kupplungs- und Bremselementen auf knappem Raum zusammengebaut und vollautomatisch geschaltet werden kann.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß dem Getriebe in an sich bekannter Weise eine reibungsschlüssige, bei laufender Antriebsmaschine sanft einschaltbare Reibungskupplung mit pneumatischer Betätigung vorgeschaltet ist und in den Kraftfluß des Getriebes eine ebensolche Stillsetzbremse eingeschaltet ist, daß ferner ein pneumatisches Wechselventil vorhanden ist, dessen Arbeitsraum in bekannter Weise durch eine bewegliche Trennwand, z. B. eine Membran, in zwei Druckräume unterteilt ist, die über Kanäle mit den pneumatischen Arbeitszylindern der Kupplung und der Bremse in Verbindung stehen, und daß das Wechselventil den Zufluß von der Druckluftquelle zu den genannten Druckräumen wechselweise öffnet bzw. schließt.

Durch diese Kombination an sich bekannter Einzelmaßnahmen wird bei einem vielstufigen Zahnräderwechselgetriebe mit Klauenkupplungen, welches insbesondere für den Antrieb von Werkzeugmaschinen geeignet ist, gegenüber den bisher bekannten Wechselgetrieben ein wesentlicher technischer Fortschritt erzielt.

Auf Differenzdruck reagierende Wechselventile, bei Vielstufiges Zahnräderwechselgetriebe,
insbesondere für Werkzeugmaschinen

Anmelder:

Alois Moosmann,
Stuttgart-Birkach, Muttergartenweg 11

Alois Moosmann, Stuttgart-Birkach,
ist als Erfinder genannt worden

denen sich eine bewegliche Wand in einem Druckraum beim Auftreten einer Druckdifferenz nach der einen oder anderen Seite bewegt und dabei zwei Ventile alternativ öffnet bzw. schließt, sind grundsätzlich bekannt. Ferner ist die Anordnung einer Anfahrkupplung und einer Stillsetzbremse bei Zahnräderwechselgetrieben nicht neu. Schließlich ist auch die Verwendung von Klauenkupplungen bei Wechselgetrieben grundsätzlich bekannt.

Nach der Erfindung werden an Stelle der großen und teuren elektromagnetischen Lamellenkupplungen die an sich bekannten Klauenkupplungen verwendet. Klauenkupplungen lassen sich aber nicht bei laufendem Getriebe von einer Stufe auf die andere umschalten, sondern erfordern jeweils ein kurzzeitiges Stillsetzen. Hierzu werden dem eigentlichen Zahnräderwechselgetriebe in an sich bekannter Weise die Anfahrkupplung und die Stillsetzbremse vorgeschaltet. Um nun den aus drei Phasen, nämlich Stillsetzen, Umschalten und Anfahren in der neuen Schaltstellung bestehenden Stufenwechsel zu automatisieren und absolut zuverlässig zu gestalten, wird das an sich ebenfalls bekannte Wechselventil in den pneumatischen Betätigungseinrichtungen verwendet. Dadurch erreicht man den gewünschten geringeren Platzbedarf und kleineren Herstellungsaufwand und damit auch eine Verbilligung des gesamten Getriebes, ohne daß eine Beeinträchtigung der automatischen Schaltung eintritt.

Dabei erzielt man noch einige weitere vorteilhafte Wirkungen. Durch Verwendung von Drosseldüsen kann sanft angefahren und gebremst werden. Durch das sanfte Anfahren haben die Klauenkupplungen Gelegenheit, auch noch während des Anfahrens einzurücken. Durch die Verwendung von Rückschlag-

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ventilen in Parallelkanälen zu den Drosseldüsen können die Schaltzeiten auf ein Mindestmaß verkürzt werden. Ferner können die Betätigungsschritte zur Weiterschaltung eines Programmwerks verwendet werden, welches den Arbeitszyklus der angetriebenen Maschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine, auf pneumatischem Wege nach einem vorgeschriebenen Programm steuert. Schließlich kann die Anfahrkupplung als ein für jede Schaltstufe automatisch einstellbarer Überlastschutz für das Getriebe verwendet werden.

Um das maximale Drehmoment der Kupplung einstellbar begrenzen zu können, kann der Arbeitszylinder der vorgeschalteten Anfahrkupplung über zwei Leitungen an den Druckraum des pneumatischen Wechselventils angeschlossen werden, wobei die beiden Leitungen in an sich bekannter Weise durch ein Wechselventil wechselweise geöffnet werden können und die eine Leitung die unter vollem Druck stehende Druckluft führt, während in die andere Leitung ein Druckminderventil eingeschaltet ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein Zahnradwechselgetriebe mit Kupplung und Bremse, z. B. für den Antrieb einer Werkzeugmaschine;

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt die Druckluft-Schalteinrichtung;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt nach der Linie A-B der Fig. 2;

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch das Rückschlagventil gemäß Fig. 2.

Bei dem in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiel hat das Getriebe nur eine Schaltstelle für den Drehzahlwechsel. Es können in einem vielstufigen Getriebe selbstverständlich beliebig viele solcher Schaltstellen vorhanden sein. Ein Antriebszahnrad 1, das z. B. mit einem Motor in Verbindung steht, treibt über eine Lamellenkupplung 2, welche durch einen Kolben in einem Druckluftzyluider 3 betätigt wird, ein Zahnrad 4 an, welches das Drehmoment entweder direkt auf ein Zahnrad 5 oder über eine Welle 6 mit einem Zahnrad 7 auf ein Zahnrad 8 überträgt. Infolge der verschiedenen Durchmesser der Zahnräder 4, 5, 7 und 8 laufen die Zahnräder 5 und 8 mit verschiedenen Drehzahlen um.

Ein Zahnrad 9 wird mittels einer Schaltmuffe 10 entweder mit dem Zahnrad 5 oder mit dem Zahnrad 8 verbunden und erhält dadurch wechselweise die eine der Drehzahlen der beiden Zahnräder mitgeteilt. Dabei greifen die Klauen der Muffe 10 in entsprechende Gegenklauen in den Naben der beiden Zahnräder 5 und 8 ein. Die Schaltmuffe 10 ist mittels eines Vielkeilprofils in der Nabe des Zahnrades 9 axial verschieblich gelagert. Das Verschieben der Muffe 10 erfolgt über eine Schaltstange 11 von einem Druckkolben 12 aus. Letzterer gleitet in einem Zylinder 13 in eine rechte oder linke Endstellung, je nachdem Druckluft durch einen Anschluß 14 oder durch einen Anschluß 15 eingelassen wird.

Auf der Welle 6 ist eine Lamellenbremse 16 vorgesehen, welche durch einen Druckluftkolben 17 zur Wirkung gebracht wird, sobald Druckluft durch einen Anschluß 18 in den Zylinderraum 19 gelangt. Eine Feder 20 drückt den Druckluftkolben 17 zurück, wenn die Wirkung der Druckluft nachläßt, und gibt die Lamellen frei, so daß die Bremse wieder gelöst ist.

Die Anfahrkupplung 2 wird durch eine Feder 21 in gleicher Weise gelüftet, wenn die Wirkung der Druckluft im Zylinder 3 nachläßt. Der Druckluftzylinder 3 erhält Druckluft über eine Bohrung in der Welle 22 von einem Anschluß 23 zugeführt.

Der in Fig. 2 dargestellte Druckluftschalter ist funktionsmäßig dem Getriebe nach Fig. 1 vorgeschaltet. Soll dieses Getriebe aus dem Stillstand in Drehung versetzt werden, so tritt, z. B. von einem Programmschalter gesteuert, Druckluft durch einen Anschluß 24 in das Gerät nach Fig. 2 ein, passiert zunächst ein Wechselventil 25, dessen Zweck später beschrieben wird, und gelangt durch eine Bohrung 26 in einen Raum 28 mit einer beweglichen Wand in Form einer Membran 27. Von hier strömt die Luft weiter durch eine Bohrung 29 zu einer Düse 30 sowie durch die Fortsetzung der Bohrung 29 zu einem Rückschlagventil31. Das Rückschlagventil31 (Fig. 4) wird mittels eines durch eine Feder 32 belasteten Ventiltellers 33 verschlossen, so daß ein Weiterströmen der Luft lediglich durch die Düse 30 in die Bohrungen 34 und 35 möglich ist. Die Bohrung 35 steht durch eine Rohrleitung in Verbindung mit dem Anschluß 23 des Getriebes in Fig. 1. Die durch die Düse 30 langsam durchgelassene Luft füllt somit über die Bohrung 35 und die zum Anschluß 23 führende Verbindungsleitung langsam den Raum des Zylinders 3. Hierdurch baut sich ein Druck im Zylinder 3 auf. Die Kraft der Feder 21 wird schließlich überwunden und die Kupplung 2 zum Reibungsschluß gebracht. Das Getriebe läuft weich an. Die Weichheit des Anlaufes kann durch Ändern der Einstellung der Düse 30 beeinflußt werden.

Der sich hinter der Düse 30 aufbauende Druck wirkt auch auf eine Membran 36, welche ihrerseits über einen Stößel 37 gegen die Wirkung einer Feder 38 ein Impulsgeberventil 39 betätigt. Das Ventil 39 gibt an einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten, pneumatisch arbeitenden Programmschalter die Rückmeldung über den vollzogenen Einkupplungsvorgang und schaltet das Programmwerk um einen Schritt weiter. Die Maschine läuft.

Soll aus diesem Betriebszustand heraus die Maschine bzw. das Getriebe zum Stillstand gebremst werden, so wird durch den Programmschalter der Anschluß 24 mit der Atmosphäre verbunden, gleichzeitig wird am Anschluß 40 (Fig. 3) Druckluft zugeführt. Der Anschluß 40 führt durch Bohrungen 41 und 42 zu einer Düse 43 und einem Rückschlagventil 44, welches ebenso wie das Rückschlagventil 31 ausgeführt ist. Das Ventil 44 ist geschlossen, so daß die eintretende Luft lediglich durch die Düse 43 weitergeleitet werden kann. Die durch die Düse 43 langsam durchgelassene Luft füllt zunächst die Bohrung 45 und will in einen Raum 46 gelangen. Solange auf der Kupplungsseite im Raum 28 noch ein nennenswerter Druck herrscht, solange also die Kupplung noch nicht völlig entlüftet ist, läßt die Membran 27 dies nicht zu, weil sie mit dem Druck der ganzen Fläche des Raumes 28 gegen die Mündung der Bohrung 45 gedruckt wird, diese also verschließt. Erst wenn im Raum 28 der Druck so weit abgebaut ist, daß der Druck der Luft in der Bohrung 45 mit ihrer kleinen Fläche gegenüber dem Druck der Luft im Raum 28 mit ihrer großen Fläche überwiegt, gibt die Membran 27 den Austritt aus der Bohrung 45 frei, die Luft tritt in den Raum 46 ein und strömt durch eine Bohrung 47 zum Anschluß 48 einer Rohrleitung, über diese weiter zum

Anschluß 18 des Bremszylinders 19 der Bremse 16 und füllt langsam diesen Zylinder. Schließlich überwindet die Kraft der Druckluft am Kolben 17 die Kraft der Feder 20 und bringt die Lamellen der Bremse 16 zum Reibungsschluß. Das Getriebe wird gebremst.

Mit dem Druck im Raum des Zylinders 19 baut sich auch Druck durch die verlängerte Bohrung 47 in einem Raum 49 auf und wirkt auf eine Membran 50. Die Membran 50 drückt ihrerseits auf einen Stößel 51 gegen die Wirkung einer Feder 52. Bei steigendem Druck wird die Kraft der Feder 52 überwunden. Der Stößel 51 betätigt ein Impulsgeberventil 53. Dieses Ventil 53 gibt an den obengenannten Programmschalter die Rückmeldung der vollzogenen Bremsung und zugleich den Impuls für einen weiteren Schaltschritt des Programmwerks. Der Programmschalter kann nun entweder die Maschine im Stillstand belassen oder einen Drehzahlwechsel herbeiführen, je nachdem, wie das Arbeitsprogramm der Maschine es vorsieht.

Beim Drehzahlwechsel wird vom Programmschalter aus infolge des durch das Ventil 53 eingeleiteten Schaltschrittes gleichzeitig der Anschluß 41, 40 zur Entlüftung freigegeben, der Anschluß 24 für das Einkuppeln unter Druck gesetzt und eine der beiden Leitungen 14 oder 15 be- bzw. entlüftet, so daß der Kolben 12 auf der einen oder anderen Seite mit Druckluft beaufschlagt wird. Der Druckaufbau im Zylinder 13 durch die Leitung 14 oder 15 erfolgt sehr schnell, während sich der Abbau des Druckes im Bremszylinder 19 durch die Düse 43 langsam vollzieht.

Mittels des Rückschlagventils 44 kann je nach Bemessung seiner Feder 32 erreicht werden, daß der Druckabbau bis zu einem vorgegebenen Druck rasch erfolgt. Sobald jedoch die Feder 32 den Ventilteller 33 schließt, kann die Luft im Bremszylinder nur noch durch die Düse 43 entsprechend langsam entweichen, bis schließlich der Druck im Raum 46 so klein wird, daß der Druck der Luft an der Mündung der Bohrung 26 den geringen Druck auf die große Fläche der Membran 27 im Raum 46 nach fast vollständiger Entleerung überwindet und die Luft aus der Bohrung in den Raum 28 einströmt. Es wiederholt sich dabei der Einkupplungsvorgang, wie er bereits beschrieben worden ist.

Während des langsamen Abbaues des Druckes im Bremszylinder 19 hat der Schaltkolben 12 über die Schaltstange 11 die Muffe 10 in die neue Kupplungslage verschoben. Falls dabei Zahn auf Zahn zu stehen kommt, gelangen die Zähne infolge der Federwirkung der Druckluft in Eingriff, sobald die Kupplung 2 langsam einrückt und die Drehbewegung der Räder beginnt.

Es ist noch zu bemerken, daß das Rückschlagventil 31 genauso eingestellt werden kann, wie beim Ventil 44 beschrieben, so daß ein schneller Druckabbau auf der Kupplungsseite erreicht wird. Es braucht dabei lediglich die Feder 32 entsprechend bemessen zu werden.

Je nach Art der anzutreibenden Maschine wird die volle Antriebsleistung nur bei höheren Drehzahlen gebraucht. Bei den unteren Drehzahlen wird häufig das aus der vollen Leistung sich ergebende hohe Drehmoment nicht benötigt. Es kann deshalb bei der Bemessung der Getrieberäder das tatsächlich an der Maschine benötigte Drehmoment zugrunde gelegt werden, welches kleiner ist als das aus der vollen Antriebsleistung errechnete Drehmoment. Um das Getriebe gegen Bruch bei trotzdem möglicher Überlastung zu schützen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Einrichtung vorgesehen, welche dann wirksam wird, wenn eine Schaltmuffe in ihre Einrückstellung geschaltet wird. Durch einen besonderen, hier nicht näher beschriebenen Wechselschalter wird die Druckluft für die Kupplung 2 statt durch den Anschluß 24 durch einen Anschluß 54 dem Gerät zugeführt und gelangt zu einem Druckminderventil 55, welches unter der Wirkung einer Feder 56, die über eine Membran 57 auf einen Stößel 58 drückt, offengelassen wird, bis der Druck im Raum 59 die Feder 56 überwindet. Die Kraft der Feder 56 ist durch eine Schraube 60 einstellbar. Die Verbindung zwischen dem Druckminderventil 55 und einem Raum 61 sowie den Bohrungen 62 wird unterbrochen, sobald der Stößel 58 in Richtung gegen die Feder 56 so weit nachgegeben hat, daß der Ventilteller 33 zur Anlage gekommen ist. Es herrscht nun im Raum 59 und in den Bohrungen 62 ein verminderter Druck, welcher durch die Feder 56 in seiner Höhe bestimmt wird. Die Bohrung 62 läßt die Luft mit vermindertem Druck durch das in diesem Fall geöffnete Wechselventil 25 in die Bohrung 26 gelangen und in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, wirksam werden mit dem Ergebnis, daß die Kupplung 2 langsam eingerückt wird, aber unter geringerem Druck steht. Die Lamellenkupplung überträgt nun ein dem verminderten Druck entsprechendes geringes Drehmoment, sichert also das Getriebe vor Beschädigung oder Zerstörung durch Überlastung.

Soll dann wieder das volle Drehmoment übertragen werden, so wird die Druckluft wieder dem Anschluß 24 zugeführt. Das Wechselventil 25 steuert sich selbst dadurch um, daß die Luft durch eine Bohrung 63 in einen Zylinder 64 gelangt und einen Ventilschaft 65 gegen den Ventilteller 33 drückt, wodurch eine Bohrung 66 geschlossen und das Ventil 25 so umgesteuert wird, daß der Anschluß 24 mit der Bohrung 26 in Verbindung gebracht wird. Bleibt der Druck am Anschluß 24 und damit in der Bohrung 63 aus, so wird der Ventilschaft 65 durch die Wirkung einer Feder 67 wieder in die Ausgangsstellung geschoben und die Bohrung 62 mit der Bohrung 26 in Verbindung gebracht.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vielstufiges Zahnräderwechselgetriebe, insbesondere für Werkzeugmaschinen, bei dem der Stufenwechsel durch Umschalten von pneumatisch betätigten Klauenkupplungen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Getriebe in an sich bekannter Weise eine reibungsschlüssige, bei laufender Antriebsmaschine sanft einschaltbare Reibungskupplung (2) mit pneumatischer Betätigung vorgeschaltet und in den Kraftrluß des Getriebes eine ebensolche Stillsetzbremse (16) eingeschaltet sind, daß ferner ein pneumatisches Wechselventil (Fig. 2) vorhanden ist, dessen Arbeitsraum in bekannter Weise durch eine bewegliche Trennwand, z. B. eine Membran (27), in zwei Druckräume (28, 46) unterteilt ist, die über Kanäle mit den pneumatischen Arbeitszylindern (3,17) der Kupplung (2) und der Bremse (16) in Verbindung stehen, und daß das Wechselventil den Zufluß

von der Druckluftquelle zu den Räumen (28, 46) wechselweise öffnet bzw. schließt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Trennwand (27) die Kanäle (26, 45) in der Weise verschließt, daß sie in an sich bekannter Weise die Mündungen der Kanäle bedeckt.

3. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche der Trennwand (27) der Druckräume (28, 46) ein Vielfaches der zu verschließenden Mündungsquerschnitte der Druckmittelleitungen (26, 45) ist.

4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach der beweglichen Trennwand (27) in an sich bekannter Weise ein Drosselorgan, z. B. eine Düse (30 bzw. 43), angeordnet ist, durch welches der Aufbau des Druckes in den Arbeitszylindern (3, 17) der Kupplung (2) oder der Bremse (16) einstellbar verzögert wird.

5. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Drosselorgan, z. B. der Düse (30 bzw. 43), ein an sich bekanntes Rückschlagventil (31 bzw. 44) eingebaut ist, welches bei Entlüftung der Arbeitszylinder (3, 17) beschleunigten Druckabfall bis auf Außendruck oder bis auf einen festgelegten Restdruck bewirkt.

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume (28, 46) bzw. die Arbeitszylinder (3, 17) der Kupplung (2) und/oder der Bremse (16) mit pneumatischen Ventilen (39 bzw. 53) in Verbindung stehen, welche ein Programmwerk schrittweise weiterschalten.

7. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder (3) der Kupplung (2) über zwei Leitungen an den Druckraum (28) des pneumatischen Wechselventils angeschlossen ist, wobei die beiden Leitungen in an sich bekannter Weise durch ein Wechselventil (25) wechselweise geöffnet werden können und die eine Leitung die unter vollem Druck stehende Druckluft führt, während in die andere Leitung ein Druckminderventil (55) eingeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 675 501, 759 770,
584, 815447.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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