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Die
Erfindung betrifft einen Planetwalzenextruder mit den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Planetwalzenextruder
dienen vorzugsweise zur Aufbereitung und Verarbeitung von Kunststoffen. Die
Kunststoffe können
thermoplastisch sein. Es sind aber auch Duroplaste auf Extrudern
verarbeitbar.
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Die
Planetwalzenextruder sind Sonderformen von Extrudern. In größerer Anwendungszahl sind
Einschnecken – und
Doppelschneckenextruder bekannt. Allen Extrudern ist gemeinsam,
daß0 sie
einen Materialeinzug besitzen. An den Materialeinzug schließt sich
eine Plastifizierungs- und Homogenisierungszone an. Dem folgt eine
Kühlzone,
um das erhitzte Materialgemisch auf Extrusionstemperatur/Austrittstemperatur
abzukühlen.
Dies ist von besonderer Bedeutung für die Herstellung von Kunststoffschaum.
Dort muß der
Temperaturverlauf genau kontrolliert werden, damit die Schmelze
beim Freiwerden des Gases eine ausreichende Viskosität besitzt.
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Ferner
werden mit dem Kunststoffmaterial Zuschläge aufgegeben. Das können Füllstoffe,
Farbstoffe und andere Stoffe sein. Im Falle der Herstellung von
Kunststoffschaum sind das Nukleierungsmittel und ggf. Treibmittel
in fester Form. Nach der Plastifizierung können noch Treibmittel in flüssiger und
gasförmiger
Form aufgegeben werden.
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Alle
Materialien haben unterschiedliche Arbeitsbedingungen. D.h. die
Qualität
der erlangten Produkte hängt
von der Optimierung der Verarbeitungsbedingungen ab. Nach einem älteren Vorschlag werden
die optimalen Verarbeitungsbedingungen mit Hilfe eines Planetwalzenextruders
dadurch ermittelt, daß der
Extruderaustritt verschlossen und das Material im Extruder umgewälzt wird,
bis es die gewünschte
Beschaffenheit hat. Wahlweise werden dabei die Randbedingungen wie
bspw. Temperatur und Umlaufgeschwindigkeit eingestellt bzw. verändert. Nach Erreichen
der gewünschten
Schmelzebeschaffenheit liegen auch die optimalen Verarbeitungsbedingungen
fest.
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Zum
Verschließen
des Extruders ist nach dem älteren
Vorschlag eine schwenkbare Scheibe vorgesehen. Der Schwenkmechanismus
bereitet jedoch Abdichtungsschwierigkeiten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen effektiven Verschluß zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen Planetwalzenextruder mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, mit der Zentralspindel
bessere Voraussetzungen für
den Verschluß des
Extruderaustrittes zu besitzen. Wahlweise wird der Verschluß dadurch
verwirklicht, daß die
Zentralspindel am vorderen Ende mit einem Zapfen versehen ist, der
in der Schließstellung
die Durchtrittsbohrung in dem Anlaufring und/oder den Durchtrittsquerschnitt
des Extruderwerkzeuges schließend
ausfüllt. Alternativ
kann das vordere Spindelende auch an dem Anlaufring und/oder dem
Extruderwerkzeug schließend
anliegen.
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Aus
der älteren,
aber nicht vorveröffentlichten
DE 195 34 813 A1 ist
der Verschluß der
Austrittsöffnung
eines Planetwalzenextruders bekannt, während aus der
DE 89 07 837 U1 die Verstellung
des Austrittsspalts durch eine in ihrer Lage veränderliche Scheibe bekannt ist.
Die axiale Verstellung der Hauptspindel zum Verschließen des
Extruderaustritts wird aber nicht nahegelegt.
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Überraschenderweise
stellt sich mit der Axialbewegung der Zentralspindel nicht nur die
Schließstellung
sondern auch eine Regelung der Öffnungsweite
des Extruderaustrittes ein. Damit wird eine weitere Einflußgröße für das Extrudieren
geschaffen, weil durch Einstellung der Öffnungsweite des Extruderaustrittes
ein Rückstau
geschaffen bzw. der Druck vor dem Extruderaustritt beeinflußt wird.
Das kann besondere Wirkung auf Schäumvorgänge entfalten. Dort muß der Druck
in der Schmelze möglichst
lang und möglichst
genau geregelt werden, um einen zu frühen Beginn des Schäumvorganges
zu verhindern.
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Vorteilhafterweise
können
die Spaltverstellung und der Verschluß mit einer Verkürzung des
Weges der Schmelze von den Spindeln bis zur Werkzeugaußenseite
kombiniert werden. Eine Verkürzung wird
vorzugsweise dadurch erreicht, daß
- – der Anlaufring
mit einer auf das Gehäuseende gesetzten
Kappe gehalten wird und/oder
- – der
Anlaufring zugleich als Extruderwerkzeug ausgebildet ist (oder umgekehrt
das Extruderwerkzeug zugleich als Anlaufring ausgebildet ist).
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Vorteilhafterweise
führt diese
bauliche Maßnahme
auch zu einer Reduzierung der baulichen Massen. Das hat zur Folge,
daß sich
der Extruder austrittsseitig schneller auf Betriebstemperatur erwärmt und
der Anfahrvorgang sich verkürzt.
Das spart Material.
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Die
Kappe wird vorzugsweise mit dem Extrudergehäuse verschraubt. Wahlweise
ist ein großes Schraubgewinde
auf der Mantelfläche
des Extrudergehäuses
vorgesehen, das mit einem Innengewinde der Kappe zusammenwirkt.
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Besonders
günstige
Verhältnisse
ergeben sich, wenn ein Zwischenring zwischen der Kappe und dem Anlaufring
vorgesehen ist. Der Zwischenring kann dabei den Anlaufring außen umgreifen
und seinerseits mit einer Verschraubung in der Kappe gehalten sein.
Vorzugsweise wird diese Verschraubung wieder durch ein Außengewinde
auf dem Zwischenring und ein Innengewinde in der Kappe gebildet.
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Um
baulich den Zwischenring ohne nennenswerte Änderung der Außenmaße aufzunehmen, ist
wahlweise das die innenverzahnte Buchse umgebende Extrudergehäuse gegenüber der
Buchse ein Stück
zurückgesetzt.
Das Maß der
Zurücksetzung
ist geringfügig
größer als
die Dicke des einzuschraubenden Teiles vom Zwischenring.
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Damit
die Verschraubung kurzzeitig herbeigeführt und wieder gelöst werden
kann, ist ein mehrgängiges
Gewinde von Vorteil. Das verkürzt
die zum Wechsel des Extruderwerkzeuges erforderliche Zeit. Ein Werkzeugwechsel
wird in Abhängigkeit
von der Standzeit des Werkzeuges und in Abhängigkeit von der Beschaffenheit
des Einsatzmateriales, der Zuschlagstoffe und weiterer zugeführter Stoffe
vorgenommen. Zum Beispiel kann ein 5-gängiges Gewinde verwendet werden,
bei dem der Drehwinkel zum Herbeiführen der Verschraubung bzw.
Lösen der
Verschraubung weniger als 360 Grad beträgt.
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Anstelle
der Verschraubung können
auch bekannte Schnellverschlüsse
zur Verbindung des Zwischenringes mit der Kappe verwendet werden. Dazu
gehört
ein Bajonettverschluß.
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Im übrigen ergeben
sich vor allem bei senkrechter Extruderanordnung Handhabungsvorteile, wenn
der Anlaufring schwenkbar angeordnet ist. Bei notwendiger Axialbewegung
für Montage
und Demontage bedingt das eine doppelte Beweglichkeit. Die Schwenkbeweglichkeit
kann mit einem Schwenkarm dargestellt werden, die gleichzeitige
Bewegungsfreiheit in axialer Richtung mit Hilfe einer axial verschiebbaren
Anordnung des Schwenkarm-Lagerzapfens. Wahlweise ist der Lagerzapfen in
verschiedenen Axialstellungen arretierbar. Dazu eignet sich z.B.
eine Arretierungsschraube, die in Nuten des Lagerzapfens greift.
Außerdem
ist der Lagerzapfen an seinen Enden vorzugsweise gegen Herausfallen
gesichert.
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Der
Lagerzapfen kann in einem an der Kappe angeformten oder befestigten
Auge angeordnet werden.
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Die
oben angesprochene Ausbildung des Anlaufringes als Extruderwerkzeug/Düse kann
in herkömmlicher
Weise unter Ausbildung eines kegelförmigen, sich in Extrusionsrichtung
verjüngenden Hohlraumes
erfolgen. Vorteile können
sich aber auch durch Erzeugung eines Ringspaltes ergeben.
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Der
Ringspalt wird durch den Abstand des Anlaufringes von dem Ende der
Zentralspindel und/oder durch den Abstand eines Zentralspindelfortsatzes
bestimmt. Als Zentralspindelfortsatz ist auch ein zylindrischer
Zapfen anzusehen, der in der oben beschriebenen Weise den Anlaufring
ausfüllt. Bei
Verwendung des Zapfens muß zunächst der
Zapfen aus der Bohrung des Anlaufringes entfernt sein, bevor ein
Spalt wirksam werden kann.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Planetwalzenextruder
mit einem Extrudergehäuse 32,
in dem eine Buchse mit Innenverzahnung für nicht dargestellte Planetwalzenspindeln
sitzt. Zu dem Planetwalzenextruder gehört auch eine Zentralspindel,
die in zwei Stellungen 52a und 52b dargestellt
ist.
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Die
Buchse 31 ist austrittsseitig durch einen Anlaufring 35 für die Planetwalzenspindeln
verschlossen, der zugleich ein Extruderwerkzeug bildet. Der Anlaufring
besitzt eine Bohrung 36, deren Öffnungsweite kleiner als der
Zentralspindeldurchmesser ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser 22mm
und deutlich kleiner als der Durchmesser, auf dem der Zahngrund
der Zentralspindelverzahnung liegt. Dadurch ist keine unmittelbare
Verbindung mehr zu dem Zwischenraum zwischen den Planetspindeln
gegeben.
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Die
Zentralspindel besitzt vorn einen Zapfen 30, der die Bohrung 36 des
Anlaufringes 35 bis auf ein notwendiges Bewegungsspiel
in der Schließstellung 52a schließend ausfüllt. Durch
Zurückziehen
der Zentralspindel in die Stellung 52b ensteht ein mit Pfeil 38 gekennzeichneter
Spalt in Form eines Ringspaltes und eine Öffnung zum Austritt der Schmelze. Durch
Verstellung der Zentralspindel wird der Spalt 38 auf das
gewünschte
Maß gebracht.
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Der
Anlaufring 35 wird über
einen Zwischenring 34 und eine Kappe 33 gehalten.
Die Kappe 33 ist auf dem Extrudergehäuse 32 verschraubt
und besitzt ein 5-gängiges
Innengewinde 47, das mit einem Außengewinde des Zwischenringes 35 zusammenwirkt. Die
Mehrgängigkeit
des Gewindes 47 führt
dazu, daß mit
kurzer Drehung bereits eine Verspannung des Anlaufringes 35 erreicht
werden kann. Im Ausführungsbeispiel
ist je nach Spaltbildung ein Drehwinkel von 90 bis 100 Grad zur
Verspannung ausreichend. Ebenso schnell erfolgt das Lösen des
Anlaufringes 35.
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Damit
der Anlaufring in der vertikalen Extruderanordnung nach dem Lösen nicht
einfach herunterfällt,
ist der Anlaufring 35 mit einem Schwenkarm 44 gehalten,
der mit dem Anlaufring 35 an einem Ende 45 verschraubt
ist und am anderen Ende 43 mit einem Bolzen 40 in
einem Auge 39 an der Kappe 33 gehalten ist. Der
Bolzen 40 bildet eine Schwenklagerung für den Schwenkarm 44 und
zugleich eine axial verschiebbare Lagerung. Das wird durch entsprechende
Länge des
Bolzens 40 erreicht. Durch den Schwenkarm 44 einerseits
und eine entsprechende Sicherung des Bolzens 40 am anderen
Ende wird verhindert, daß der
Bolzen 40 unvorhergesehen aus dem Auge 39 herausfällt. Im übrigen wird
die Bolzenstellung durch eine Stellschraube 42 bestimmt,
die in Nuten 41 des Bolzens 40 eingreift.
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Das
Lösen und
Wiederbefestigen des Schwenkarmes 44 dient dem Wechsel
des Extruderwerkzeuges.
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Durch
zurückversetzte
Anordnung des Extrudergehäuses 32 gegenüber der
Buchse 31 ergibt sich eine sehr raumsparende Anordnung
der Kappe 33 und Ausbildung des Extruderendes.
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Insgesamt
besitzt das Extruderende eine sehr viel geringere Masse als der
herkömmliche
Extruder nach 1, so
daß sich
der Extruder dort sehr viel schneller auf die notwendige Betriebstemperatur erwärmt.
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Durch
die extrem kurzen Wege der Schmelze vom Verlassen des Raumes zwischen
den Planetwalzenspindeln bis zum Austritt aus dem Extruderwerkzeug
ist gewährleistet,
daß auf
dem Wege nur ein minimaler Temperaturverlust eintreten kann.
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Die
Anordnung mit dem Schwenkarm erleichtert das Wechseln des das Extruderwerkzeug bildenden
Anlaufringes 35. Dabei wird im Ausführungsbeispiel mit dem Schwenkarm 44 nicht
nur eine Schwenkbewegung sondern auch eine Bewegung in axialer Richtung
des Anlaufringes 35 ausgeführt.
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2 zeigt eine hydraulische
Verstelleinrichtung für
einen im Ausschnitt erkennbaren nicht verzahnten) Teil 10 der
Zentralspindel. Es ist nur eine Hälfte rechts der Mittellinie 24 dargestellt.
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Danach
ist der Zentralspindelteil mittels eines Tonnenlagers 18 und
eines Kegellagers 19 in einem ringförmigen Kolben 11 drehbeweglich
gehalten. Die Axialkräfte
werden über
einen Kragen 26 des Zentralspindelteils 10 und
einen aufgeschraubten Ring 25 auf den Kolben 11 übertragen.
Die drehbewegliche Lagerung wird durch das Tonnenlager 18 und
das Kegellager 19 gebildet, die zugleich in starkem Maße Axialkräfte aufnehmen
können.
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Das
Lager ist mit Dichtungen 20 und 22 sowie mit Deckeln 21 und 23 an
beiden Enden verschlossen.
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Der
Kolben 11 besitzt am äußeren Umfang einen
Kragen 27, der in einer Ausnehmung eines den ringförmigen Kolben 11 umschließenden Zylinders 12 gleitet.
Die Gleitfuge zwischen dem Kragen 27 und der gegenüberliegenden
Zylinderfläche
ist mit Packungen 28 abgedichtet. Desgleichen sind die weiteren
Fugen zwischen dem Zylinder 12 und dem Kolben 11 mit
Packungen 13 abgedichtet.
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Die
beiden Zylinderräume 14 und 16 sind über Druckleitungen
mit einem Hydraulikkreis verbunden.
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Eine
Beaufschlagung des Zylinderraumes 14 mit Druckflüssigkeit
führt zu
einer Zentralspindelverschiebung nach unten unter der Voraussetzung,
daß der
Zylinderraum 16 gelüftet
wird. Umgekehrt führt eine
Beaufschlagung des Zylinderraumes 16 zu einer Zentralspindelverschiebung
nach oben, wenn gleichzeitig der Zylinderraum 14 gelüftet wird.
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3 zeigt den Hydraulikkreis
mit den Anschlüssen 15 und 17 an
den Zylinder 12. Zu dem Hydraulikkreis gehört ein Hydraulikmotor 60 mit
Rechts- und Linkslauf. Je nach Laufrichtung wird der Anschluß 15 oder
der Anschluß 17 mit
Hydraulikflüssigkeit
beaufschlagt. Im Ausführungsbeispiel
wird als Hydraulikflüssigkeit Öl verwendet.
Dabei werden Halteventile 61 und 62 verwendet,
die als vorgesteuerte Rückschlagventile
ausgebildet sind. Vorsteuerung heißt, daß bei Beaufschlagung des Anschlusses 17 über das
Ventil 61 zugleich das Ventil 62 geöffnet wird,
um ein Abfließen
von Hydraulikflüssigkeit
aus der Leitung 15 zu ermöglichen. Bei Beaufschlagung des
Anschlusses 15 über
das Ventil 62 wird das Ventil 61 geöffnet, um
das Abfließen
von Hydraulikflüssigkeit
zu ermöglichen.
Ohne Druckbeaufschlagung der Ventile 61 und 62 von
dem Hydraulikmotor 60 verschließen die Ventile die Leitungen 15 und 17,
so daß der
Kolben 11 in seiner Stellung arretiert ist.
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Zu
dem Hydraulikkreis gehören
im übrigen übliche Druckbegrenzungsventile 63 und 64.
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4 zeigt die Anwendung der
Bauweise nach 1 bis 3 auf einen stehend/vertikal
angeordneten Planetwalzenextruder für thermoplastische Kunststoffe
in einer Gesamtansicht. Der Planetwalzenextruder trägt die Bezeichnung 2 und
ist an einem Aufgabetrichter 4 gehalten. Der Aufgabetrichter 4 ist seinerseits
an einem Ausleger 7 und einer Säule 1 gehalten. Der
Antriebsmotor sitzt am Getriebe 5, welches seinerseits
auf einer die Planetwalzenspindel treibenden Welle montiert ist.
Das Drehmoment des Motors wird durch ein besonderes Widerlager in
den Ausleger 7 geleitet. Das Widerlager ist ein Momentenarm.
Dabei handelt es sich um eine Verbindung des Motors bzw. des Getriebes 5 mit
dem Ausleger 7, die sicherstellt, daß ein bestimmtes Drehmoment
nicht überschritten
wird; d.h. danach nachgibt und sich ggfs löst.
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Motor
und Getriebe treiben in nicht dargestellter Weise die Zentralspindel
an. Im Ausführungsbeispiel
gehört
zu der Zentralspindel eine durch die Materialaufgabe 4 geführte Welle,
die mit der Zentralspindel einstückig
ist.
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Der
Aufgabetrichter hat eine seitliche Aufgabeöffnung für das Aufgabegut.
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In 4 sind noch Anschlüsse für Kühl-/Heizmedien
dargestellt und mit 3 bezeichnet.
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Die
erfindungsgemäße fliegende
Anordnung von Motor und Getriebe gemäß 4 führt
zu einer erheblichen Lagerbelastung. Nach 5 wird die Lagerbelastung mit Hilfe einer
Stütze
weitgehend aufgehoben. Die Stütze
ist im Ausführungsbeispiel
im Maschinenrahmen befestigt und wird durch eine federnde Haube 361 gebildet.
Die Haube 361 sitzt über einem
Dorn 371, der im Maschinenrahmen fest montiert ist. Der
Dorn 371 dient als Führung
für eine
Spiralfeder 261. Dabei ist die Spiralfeder 261 teilweise im
Maschinenrahmen versenkt. Das wird mit Hilfe einer Bohrung im Maschinenrahmen
erreicht. Die Bohrung besitzt einen Durchmesser, der dem Außendurchmesser
der Spiralfeder 261 entspricht. Die versenkte Anordnung
erlaubt die Verwendung einer langen Spiralfeder 261, deren
Zusammendrückung
für die
nachfolgend erläuterte
Unterstützung
eine bessere Charakteristik als eine kurze Feder besitzt.
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Zur
Vereinfachung der Konstruktion ist die Bohrung im Maschinenrahmen
eine Durchgangsbohrung und der Dorn 371 mit einem Gewindekopf 381 in
einem vor der Durchgangsbohrung sitzenden Flansch verschraubt und
mit einer Mutter 391 gekontert.
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Die
Haube 361 ist in einer Führung 351 gehalten,
die am Maschinenrahmen mit Schrauben 401 befestigt ist.
Die Führung 351 umschließt die Haube 361 allseitig
und ist zusätzlich
mit einer Dichtung 251 gekapselt.
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Wenn
der Extruder aus der Schwenkstellung zum Entleeren, Montieren usw.
in seine Arbeitsstellung gebracht wird, gleitet der Motor unter
geringer Zusammendrückung
der Spiralfeder 261 auf die Haube 361. Das wird
durch eine Anschrägung
der Haubenkante erleichtert. Dabei wird ein wesentlicher Teil des
Motor/Getriebgewichtes durch die Spiralfeder 261 aufgenommen
bzw. ausgeglichen. Dieses Gewicht kann nicht mehr die Getriebelager
und die Spindellager belasten.
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Die
versenkte Anordnung nach 5 ist
extrem platzsparend.
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Dort
wo ausreichender Raum zur Verfügung steht,
ist ein Druckbuchse nach 6 vorgesehen. Die
Druckbuchse besteht aus zwei ineinanderschiebbaren, hülsenartigen
Gehäuseteilen 101 und 102,
die eine Spiralfeder 104 zwischen sich einschließen. Die Zusammendrückung der
Gehäuseteile 101 und 102 wird
durch die Gehäuseteile
selbst begrenzt. Die Spreizbewegung bzw. das von der Spiralfeder 104 verursachte
Auseinandergehen der Gehäuseteile 101 und 102 ist
durch ein zentrisch angeordnetes Gestänge 107 begrenzt.
Dabei handelt es sich im Ausführungsbeispiel
um eine Hülse
mit Innengewinde, die an einem aus dem Gehäuseteil 102 herausragenden
Ende mit einem Schraubenkopf versehen ist und mit einer Schraube
zusammenwirkt, die im anderen Gehäuseteil 101 befestigt
ist. Die Befestigung wird durch eine Verschraubung gebildet, in
anderen Ausführungsbeispielen
sind andere Befestigungen vorgesehen.
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Die
Befestigung erfolgt in einem seinerseits verschraubbaren Sitz 108.
Der Sitz 108 sitzt mit einem Außengewinde in einem Innengewinde
des unteren Gehäuseteils 101.
Durch Verschrauben kann der Sitz 108 verstellt werden.
Das dient der Einstellung der Druckbuchse auf Motor und Getriebe
des Extruders.
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Die
Druckbuchse selbst ist ihrerseits insgesamt verstellbar. Dazu ist
die Hülse
des unteren Gehäuseteils
mit einem Außengewinde 105 versehen und
sitzt auf dem Außengewinde
eine Muffe 103 mit einem Innengewinde, gesichert durch
eine Gegenmutter 106.
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Die
Funktion der Druckbuchse nach 6 ist die
gleiche wie die der nachgiebigen Haube nach 5.