DE1750911A1

DE1750911A1 - Kurvengetriebe

Info

Publication number: DE1750911A1
Application number: DE19681750911
Authority: DE
Inventors: Kieronski John P
Original assignee: Whitin Machine Works Inc
Current assignee: Whitin Machine Works Inc
Priority date: 1967-06-19
Filing date: 1968-06-18
Publication date: 1972-03-23
Also published as: NL6808560A; CH492904A; GB1188763A; US3451277A

Description

5857-68/Kö/Ro.

.Piled: June I9, 1967

Whitin Machine Works, Inc., Whitinsville, Mass. (V.St.A.)

Kurvengetriebe

Die Erfindung betrifft Kurvengetriebe, insbesondere solche, bei denen aufgrund hoher Umkehrgeschwindigkeiten oder -frequenzen der Mitnehmer oder das Abtriebglied starken Berührungs- oder Druckbelastungen ausgesetzt ist.

Bei verschiedenen Kurventriebmechanismen, insbesondere denen, die eine hin- und hergehende Ausgangsbewegung, also einen Pendelgang liefern, treten an den Bewegungsumkehrpunkten sehr starke Kräfte zwischen dem Kurvenantriebs- und dem Kurvenabtriebsglied auf, wenn die Umkehrfrequenzen oder Wechselgeschwindigkeiten hoch ™ sind. Wenn bei seiner Bewegung entlang der Kurvenbahn des Antriebsgliedes der Mitnehmer oder Naohläufer, also das Abtriebsglied seine Bewegungsrichtung umkehrt, erfährt es eine hohe negative Beschleunigung in der einen Richtung und anschließend eine entsprechend hohe positive Beschleunigung in der anderen Richtung, d.h. eine hohe Beschleunigung relativ zur Kurvenfläche. Diese hohe , Beschleunigung erzeugt Kräfte, die u.a. zwischen der Kurvenfläche und der Kurvenangreiffläche des Mitnehmers wirken und rückwirken,

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so daß auf den Mitnehmer an der Stelle, wo er von der Kurvenfläche erfaßt und geführt wird, starke Druck- oder Berührungsbelastungen ausgeübt werden. Bei der Konstruktion eines Kurvengetriebes mit Pendelgang des Mitnehmers oder Nachläufers ist es häufig die auf den Nachläufer an den Umkehrpunkten einwirkende Berührungsbeanspruchung oder -belastung, die sich als beschränkender Paktor geltendfnacht. Wird eine gegebene Bewegung gewünscht, so muß die Arbeitsgeschwindigkeit soweit verringert werden, daß sich eine ausreichend niedrige Umkehrfrequenz ergibt, so daß die Kontaktbelastung des Nachläufers unterhalb der Dauerstandfestigkeitsgrenze des Materials liegt.

Um das Problem anhand eines speziellen Beispiels zu demonstrieren, sei ein Trommelkurvengetriebe oder Trommelvolutengetriebe betrachtet, wie es im Padenquerführer einer Spulmaschine verwendet wird. Das Kurvengetriebe treibt einen Fadenführer über den Abzug vor und zurück bzw. hin und her, um den Faden auf eine Spule zu einem gewöhnlich als "Garnkörper" bezeichneten Wickel aufzuwickeln. Angenommen, es soll das Garn beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 3000 m pro Minute auf eine 14 cm (5 1/2 Zoll) lange Spule von 15 cm (6 Zoll) Durchmesser aufgewickelt werden. Diese Wickelgeschwindigkeit macht es erforderlich, daß der Garnkörper mit z.B. einer Geschwindigkeit von ungefähr 6270 U.p.M. gedreht wird, wenn ein Garnkörperdurchmesser von 15 cm (6 Zoll) erreicht ist. Die mittlere Geschwindigkeit des Fadenführers pro Durchgang über den Fadenkörper für

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eine Aufwicklung mit dieser Geschwindigkeit trägt ungefähr 14 m pro Sekunde (550 Zoll pro Sekunde). Bei Verwendung einer 2:1-Kurventrommel beträgt deren Drehgeschwindigkeit 2 χ 6270, d.h. 12540 U.p.M. Angenommen, die Bewegungsumkehr erfolgt - als annehmbarer Normalwert - in 10° negativer und 10° positiver Beschleunigung, so beträgt die Zeitdauer der negativen oder positiven Beschleunigung 1,528 χ 10~^ Sekunden. Die mittlere Beschleunigung läßt sich dann aus der Gleichung a = ί· (Beschleuni-

I gung gleich Geschwindigkeit über die Zeit) errechnen und ergibt ^ sich, bei den gegebenen Parametern, als 10,52 χ 10 cm/sec/sec (4,14 χ 10 Zoll/sec/sec) oder IO62O g. Angenommen, das Gewicht der bewegten Teile des Führers betrage, als einigermaßen typischer Wert, 28,35 Gramm (1 Ounce), so ist die zwischen der Kurventrommel und dem Nachläufer oder Mitnehmer am Umkehrpunkt wirkende mittlere Kraft (P = rna) mehr als 272 kg (600 lbs).

Die sich bei Berührung zwischen zwei Zylinderflächen mit parallelen Achsen ergebende Druck- oder Kontaktbelastung läßt sich aus der Hertzschen Belastungsgleichung errechnen: %

S_c = 0.564

Li₁ ²) / E₁ + (1-U₂ ²)/E2_7

Darin bedeuten S_n die maximale Druckbelastung im Berührungsbe-. reich in Einheiten von 0,07 kg/cm (psi), C₁ und Cg die Krümmungen der Berührungsflächen in Einheiten pro 2,54 cm (Zoll), U₁ und U_g die Poissonzahlen für die entsprechenden Materialien, E₁ und E₀

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die Elastizitätsmodule für die betreffenden Materialien, P die Kraft in Einheiten von 0,45^6 kg (pounds) und L die Länge der Berührungsstrecke zwischen den Flächen in Einheiten 2,54 cm (Zoll).

Wenn die sich berührenden Zylinderflächen aus gleichen Materialien mit denselben Elastizitätsmodulen bestehen, die Poissonzahl 0,3 ist und die Berührungsflächen in der gleichen Richtung gekrümmt sind, läßt sich die Hertzsche Belastungsgleichung wie folgt vereinfachen:

S_c = OAIb I I E (C₁ - C₂)

Übliche Mitnehmer oder Kurvennachläufer lassen sich allgemein in zwei Klassen einteilen, nämlich die Rollenmitnehmer oder -stößel, bei denen ein Rad oder eine Rolle drehbar auf einer Welle gelagert ist und entlang der Kurvenbahn oder Kurvennut rollt, und zweitens die sogenannten "Gleitläufer" oder "Gleitstößel'¹ in Form eines langgestreckten Elements, das entlang der Kurvenbahn gleitet. Wenn man die Druckbelastungen für die wirksame Kraft von 272 kg (600 lbs) am Umkehrpunkt gemäß dem obigen Beispiel für einen herkömmlichen Kurventrieb mit Rollenstöße], wie er vernünftigerweise für den Fadenquerführer einer Garnspulmaschine konstruiert ist, errechnet, so ergibt sich ein Druckbelastungswert von annähernd 28000 kg/cm² (400 000 psi). Dieser Wert geht weit über die Dauerstandfestigkeitsgrenze jeglicher verfügbaren Werkstoffe hinaus. Belastungsberechnungen für herkömmliche Kurven-

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triebe mit Gleitstößel ergeben gleichermaßen Belastungswerte, die weit über diejenigen Werte hinausgehen, denen die verfügbaren Werkstoffe standhalten können. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Drehzahl der Kurventrommel zu verringern, da die durch den Kurvenantrieb zu vermittelnde Bewegung durch das Erfordernis einer gleichmäßigen Aufwicklung über die Länge des Garnkörpers weitgehend festgelegt ist.

Außer dem Problem der Druckbelastungen an den Berührungsstellen zwischen Stößel und Kurvenbahn bringt ein Gleitstößel das weitere Problem der Biegebeanspruchung mit sich, die immer dann auftritt, wenn der Gleitstößel eine Kurve, d.h. eine Krümmung durchläuft. Beim Durchlaufen einer Kurve wird der Stößel von der Kurvenfläche nur an entgegengesetzten Enden abgestützt, d.h. der Gleitstößel überspannt ein Segment der Kurve, während er am Führer in seiner Mitte gehaltert ist, so daß er also Biegebelastungen ausgesetzt ist.

Erfindungsgemäß ist ein neuartiges und verbessertes Kurvengetriebe, insbesondere ein Kurvengetriebe mit schwachbelastetem Stößel oder Mitnehmer vorgesehen. Der Erfindungsgedanke ist insbesondere auf ein Kurvengetriebe anwendbar, bei dem der Stößel oder Mitnehmer hohen Druckbelastungen infolge hoher Umkehrgeschwindigkeiten ausgesetzt ist, wie sie sich häufig bei Trommelkurven ergeben, bei denen gewöhnlich eine maximale Druckbelastung an den Umkehrpunkten auftritt, wo der Radius der Kurvenfläche sein Minimum hat.

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Der Stößel oder Mitnehmer 1st erfindungsgemäß ein Bauteil, das schwenkbar an dem hin und her zu bewegenden Bauteil gelagert ist und relativ zur Kurvenfläche eine Gleitbewegung statt einer Drehbewegung ausführt. Seine maximale Querabmessung ist etwas kleiner als die Breite der Kurvenbahn oder Kurvennut und seine Länge ist etwas größer als seine Breite, so daß er soweit verschwenkt werden kann, wie nötig ist, um seine längere Achse allgemein in Richtung der momentanen Achse der Kurvennut orientiert zu halten. Die an der Kurvenfläche angreifenden Flächen des Stößels sind gekrümmt, und die Fähigkeit, hohen Belastungen standzuhalten, ergibt sich aus der Einhaltung einer kritischen Krümmung längs dieser Flächen. Und zwar liegen die Radien sämtlicher Punkte längs der die Kurvenfläche erfassenden Flächen des Stößels innerhalb eines Bereichs zwischen einem Wert, der wesentlich größer als die halbe Breite der Kurvenbahn ist, und einem Wert, der nicht größer, vorzugsweise etwas kleiner ist als der minimale Radius an irgendeinem Punkt längs der Kurvenbahn.

Betrachtet man noch einmal die Hertzsche Belastungsformel zur Errechnung der zwischen gekrümmten Flächen wirkenden Druckbelastungen, so sieht man, daß die Druckbelastungen in dem Maße geringer werden, wie die Krümmung (C) der Berührungsflächen sich verkleinert, so daß eine erhebliche Verringerung der Druckbelastungen durch Verkleinern der Krümmung des Stößels erhalten wird. (Die Krümmung einer Kurve ist der Kehrwert ihres Radius, so daß eine Vergrößerung des Radius eine Verkleinerung der KrUm-

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. r ■·.

rnung bedeutet.) Andererseits sollte die Krümmung der die Kurvenbahn erfassenden Gtößelflächen an keinem Punkt kleiner sein als die maximale Krümmung der Kurvenfläche, da sonst ein Teil des Stößels von der Kurvenfläche abgehoben, d.h. getrennt würde, was anderweitige Schwierigkeiten hervorrufen würde.

Die durch die erfindungsgemäße Stößelkonstruktion erzielten Vorteile sind offensichtlich. Wie oben erläutert, sind die auf den Stößel wirkenden Kontaktbelastungen bei ejnem gegebenen Kurvenantriebsglied und einer gegebenen Betriebsgeschwindigkeit erheblich geringer. In der Praxis lassen sich Verringerungen der Kontaktbelastungen um mehrere hundert Prozent erreichen. Man kann daher höhere Arbeitsgeschwindigkeiten ohne Überschreitung der Dauerstandfestigkeit des Materials erzielen. Der Stößel läßt sich mit verhältnismäßig geringen Kosten herstellen. Vorteilhafterweise können die die Kurvenfläche erfassenden Stößelflächen kreisbogenförmig gekrümmt sein, wodurch sich die Herstellung vereinfacht und folglich die Kosten verringern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 den Aufriß eines Stücks einer Kurventrommel und einer Ausführungsform des erfindungsgemäisen Stößels,· und

Fig. 2 einen Querschnitt allgemein entlang der Linien 2-2 in Fig. 1, gesehen in Richtung der Pfeile, wobei jedoch der Stößel voll dargestellt ist.

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Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform des Mitnehmers oder Stößels eignet sich für den Fadenquerführungsmecha-r nismus einer Garnspulmaschine. Der Garnkörper wird auf eine sich drehende Spule (nicht gezeigt) aufgewickelt, wobei das Garn beim Aufwickeln durch den Fadenführer (nicht gezeigt) vor und zurück bzw. hin und her geführt wird, so daß ein spiraliger Wickel bestimmter Beschaffenheit entsteht. Wie allgemein bekannt, ist die Bewegung des Fadenführers ein kritischer Faktor im Hinblick auf die Erzielung eines gleichmäßigen Garnkörpers.

Der Fadenführer wird durch eine Kurventrommel, allgemein bezeichnet mit 10, angetrieben. Während nur ein Teil der Trommel gezeigt ist, hat die bekanntlich zylindrische Trommel eine endlose Führungsnut oder Kurvenbahn 12, die spiralig oder schraubenförmig um den Körper der Trommel 10 über den größeren Teil der Zylinderfläche verläuft und nahe den Trommelenden an gekrümmten Umkehrstellen 12a, von denen nur eine gezeigt ist, sich umwendet. Obwohl die Umkehrstelle 12a als Kreisbogen mit einem Radius R, angedeutet durch die Pfeillinie, gezeigt ist, braucht die Umkehrstelle der Kurvenbahn nicht notwendig die Form eines Kreisbogens zu haben, sondern kann eine durch veränderliche Radien erzeugte Kurve sein. Auf jeden Fall ist die Krümmung in irgendeinem Punkt entlang des Umkehrteils, d.h. die momentane Krümmung, gleich dem Kehrwert des Radius in diesem Punkt. Die Kurve C des Umkehrabschnitts 12a der Kurvenbahn 12 ist daher der Kehrwert des Radius R. Unabhängig von der genauen Form des Umkehrabschnitts 12a der

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Kurvenbahn 12 gibt es entlang der Urakehrkurve einen Punkt mit minimalem Radius und folglich maximaler Krümmung. Zu Erläuterungszwecken ist die Kurve 12a als kreisbogenförmig mit einheitlichem Radius R dargestellt und vorausgesetzt.

Der allgemein mit 20 bezeichnete Stößel oder Mitnehmer hat einen Körperteil 22, der in der Kurvenbahn 12 gleitet und eine Breite, die sehr wenig kleiner ist als die Breite der Kurvenbahn, sowie eine Länge, die etwas größer als seine Breite ist, hat. Wie man am besten in Fig. 2 sieht, hat die Basis des Stößelkörpers 22 eine Krümmung, die der Krümmung der Zylinderfläche der Basis der Kurvenbahn angepaßt ist, während die Dicke des Körpers ungefähr gleich der Tiefe der Kurvenbahn oder -nut ist. Radial nach außen von der Kurventrommel 10 steht ein Schaft 24 vor, der einstückig mit dem Körper 22 ausgebildet oder ein getrenntes Bauteil, das in einem passenden Loch im Körper sitzt, sein kann. Der Schaft 24 koppelt den Stößel mit einem Fadenführer (nicht gezeigt), der gleitbar längs einer zur Achse der Trommel 10 parallelen Achse gelagert ist. Beim Rotieren der Kurventrommel 10 wird der Stößel hin und her bewegt, so daß er den Faden über den sich drehenden Garnkörper vor und zurück führt.

Wie bereits erwähnt, ist der Stößel 20 bei seiner Annäherung an den maximalen Endpunkt der Umkenraone 12a einer sehr raschen negativen Beschleunigung oder Bremsung und anschließend einer sehr raschen Beschleunigung in der entgegengesetzten Richtung beim Verlassen dieses Endpunktes ausgesetzt. Damit der Faden

sauber auf den Garnkörper aufgewickelt wird, muß der Fadenführer seine Bewegungsrichtung innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Zeitabschnitts der Bewegungsperiode des Mechanismus umkehren, so daß die Bremsung und Beschleunigung des Stößels 20 und der mit ihm verbundenen bewegten Teile sehr groß wird. Der Wert von über 10 000 g und die entsprechende Kraft von über 272 kg (600 lbs), die zuvor angegeben wurden, sind exemplarisch. Diese relativ große Kraft wirkt zwischen den Berührungsflächen des Stößelkörpers 20 und der Wand der Kurvenbahn 12.

Bei der erfindungsgemäßen Stößelkonstruktion werden die am Angriffspunkt zwischen Kurvenbahn und Stößel auftretenden Kontaktbelastungen dadurch in erträglichen Grenzen gehalten, daß die Flächen 22a und 22b des Stößels 20, die an den Wänden der Kurvenbahn 12 angreifen, gekrüawt sind und die Krümmung dieser Flächen auf einen vorbestimmten Wertebereich begrenzt; ist. Und zwar liegen die Radien der Flächen 22a und 22b zwischen einem Wert, der erheblich größer als die Bälfte der Breite der Kurvenbahn 12 ist, und einem Wert, der nicht großer, vorzugsweise etwas kleiner als der minimale momentane Radius der vom Stößel erfaßten Wand der Kurvenbahn 12 ist. Bei der gezeigten Ausfiährungsform sind die Flächen 22a und 22b kreisbogenfönndlg gekrümmt, und zwar mit dem durch die Pfeil linden r angedenkt eten Radüus, wobei Jedsoch die Krümmung der die Kurvenbahn erfassendem Flächen 22a und 22b des Stößels 20 ebensagtifc veränderlich sein kann. In Jedem Fall sollte die moment ame KjrtÄnnaaaig Im irgendeinem Punkt entlang der

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Flächen nicht kleiner als die maximale Krümmung der Kurvenbahn sein.

Entsprechend der Hertzschen Belastungsformel ist die am Stößel 20 im Berührungspunkt der Fläche 22a mit der entsprechenden Wand der Kurvenbahn 12 angreifende Kontaktbelastung eine Funktion der Krümmungen der Berührungsflächen, und es ist klar, daß, wenn man die Krümmung des Stößels 20 innerhalb der obengenannten Grenzen hält, die Belastung bei sonst gleichen Faktoren auf einem niedrigeren Wert gehalten werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1.) Kurvengetriebe mit einer Kurvenbahn von einer solchen Form, daß der von ihr geführte Stößel hohen Druckbelastungen bei hohen Umkehrgeschwindigkeiten ausgesetzt ist', wobei das Kurventeil einen Umkehrabschnitt mit einem Punkt, wo der momentane Radius der Kurvenbahn ein Minimum hat, aufweist, gekennzeich net durch einen in der Kurvenbahn geführten Stößel mit einer an der Wand der Kurvehbahn angreifenden, gekrümmten Mitnehmerfläche, wobei die Krümmungsradien an sämtlichen Punkten entlang der Mitnehmerfläche innerhalb eines Bereiches zwischen einem Wert, der erheblich größer als die halbe Breite der Kurvenbahn ist, und einem Wert, der nicht größer als der minimale Radius des Umkehrabschnitts ist, liegen.

2.) Kurvengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mitnehmerfläche kreisbogenförmig ge-, krümmt ist.

3.) Kurvengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß der Kurvenkörper eine Kurventrommel mit spiraliger Kurvenbahn mit zwei Umkehrabschnitten ist und daß der Stößel zwei gekrümmte Mitnehmerflächen auf allgemein gegenüberliegenden Seiten aufweist, deren jede in sämtlichen Punkten Krümmungsradien hat, die innerhalb des genannten Wertebereiches, bezogen auf den minimalen Radius der entsprechenden Umkehrabschnitte, liegen.

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