DE2150410C3

DE2150410C3 - Vorrichtung zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung

Info

Publication number: DE2150410C3
Application number: DE19712150410
Authority: DE
Inventors: J H Brems
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-10-15
Filing date: 1971-10-09
Publication date: 1975-08-21
Also published as: AU5483973A; JPS5133310B1; FR2110012A5; AU472043B2; IT942674B; AU3355771A; DE2150410A1; GB1371215A; DE2150410B2; SE374802B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung, insbesondere für die Werkstückplatte eines Arbeitstisches, mit einem in mit Zähnen versehenes Abtriebsglied eingreifenden und im Zahneingriff mit diesem gehaltenen angetriebenen Zahnrad.

Die Erfindung geht vom Antrieb eines Arbeitstisches Tür eine Schnellpresse aus (DT-PS 122 619), bei dem die hin- und hergehende Bewegung des Arbeitstisches durch einen Kurbeltrieb erfolgt. Da beim Kurbeltrieb der Verschiebungsweg der Zahnstange und damit des Arbeitstisches vom Durchmesser des Zahnrades abhängig ist, sind die Verschiebungswege vergleichsmäßig gering.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Vorrichtung so auszubilden, daß bei der Umsetzung der Drehbewegung in die hin- und hergehende Bewegung deren Geschwindigkeit sowie Beschleunigung und Verzögerung in einfacher Weise veränderbar ist. Ferner soll der Arbeitstisch größere Verschiebungswege ausführen können und soll der Anlauf und das Anhalten des Arbeitstisches stoßfrei erfolgen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei der Vorrichtung der eingangs geschilderten Art dadurch gelöst, daß das angetriebene Zahnrad außerhalb seines Mittelpunktes mit einer Antriebswelle verbunden ist, die quer zur Verschieberichtung des Abtriebsgliedes um den sich parallel zum Abtriebsglied verschiebenden Mittelpunkt des angetriebenen Zahnrades beweglich geführt ist.

Im Gegensatz zuieinem Kurbeltrieb and erfindungsgemäß größere Verschiebungswege der Zahnstange erzielbar, da der VerschiebuKgsweg vom Umfang des Zahnrades abhängig ist. Ferner sind die Bewegungsverhältnisse beim Beschleunigen und Verzögern des Arbeitstisches verbessert und lassen sich diese Eigenschaften in weiten Bereichen bei vorgegebenen Abmessungen leicht dadurch verändern, daß die Antriebsdrehzahl der Antriebswelle und/oder die Angriffspunkte der einzelnen Hebel entsprechend gewählt werden.
Der erfindungsgemäße Antrieb kann in gleicher Weise auch für kurvenförmige Bewegungsbahnen Anwendung finden, insbesondere für kreisförmige Bewegungsbahnen, wie sie beispielsweise von drehbaren Tischen auszuführen sind. Es kann somit auch einem Drehtisch eine hin- und hergehende Drehbewegung erteilt werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Antriebswelle am schwingenden Ende eines einarmigen, mit seinem anderen Ende gehäusefest gelagerten Schwenkhebels gehaltert. Dadurch wird eine

25: besonders einfache Führung der Antriebswelle erzielt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin,

daß die Antriebswelle ein Zwischenrad trägt, an dem das angetriebene Zahnrad starr befestigt ist. Durch Wahl des Durchmessers des Zwischenrades lassen sich die Bewegungsverhältnisse in einfacher Weise ändern.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Zwischenrad

mit einem koaxial mit dem gehäusefesten Drehpunkt des Schwenkhebels angeordneten Antrieb verbunden.

Dabei ist der Antrieb gehäusefest angeordnet und läßt sich das übersetzungsverhältnis zwischen dem Antrieb und dem Zwischenrad leicht ändern.

Es kann aber auch nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das Zwischenrad mit einem auf dem Schwenkhebel angeordneten Antrieb verbunden sein.

Auch in dieser Ausführungsform läßt sich das übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Zwischenrad in einfacher Weise verändern

Insbesondere lassen sich die Bewegungsverhältnisse derart beeinflussen, daß der Antrieb eine günstige Arbeitsgeschwindigkeit erreicht, bevor der Arbeitstisch angetrieben wird. Umgekehrt ist es ebenso möglich, den Arbeitstisch zu verzögern und etwa zum Stillstand zu bringen, bevor die Bremse für den Antrieb betätigt wird bzw. ein Antriebszylinder seine

Endstellung erreicht. Hierdurch wird vermieden, daß größere Bremskräfte aufgewendet werden müssen.

Die Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebs sei an Hand der Zeichnungen erläutert.

1- i g. 1 zeigt eine Seitenansicht des als Ausführungsbeispiel gewählten Arbeitstisches, in der die wesentlichen Elemente in ihrer räumlichen Anordnung im Verhältnis zueinander erkennbar sind;

F i g. 2 stellt einen Schnitt durch diesen Arbeitstisch

dar, und zwar gemäß der in Fig. 1 bezeichneten Schnittlinie H-II;

F i g. 3 zeigt ebenfalls einen Schnitt, und zwar

gemäß der in Fi g. 1 bezeichneten Schnittlinie HI-III;

F i g. 4 ist eine Ansicht vom rückwärtigen Ende, und zwar mit einem Teilschnitt gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fi g. 1;

F i g. 5 veranschaulicht in fünf einzelnen Schemaskizzen 5 A bis 5 E eine '-olge von einzelnen Stellungen,

wie sie sich im Zuge der Bewegung des Arbeitstisches von der einen Grenzstellung zu der anderen Grenzstellung nacheinander ergeben;

F i g. 6 stellt, gleichfalls in Seitenansicht wie F i g. 1, eise etwas abgewandelte Ausführungsform dar und läßt ebenfalls die wesentlichen Teüe in ihrer räumlichen Lage zueinander erkennen;

F i g. 7 stellt eine kinematische Linienzeichnung dar, um die verschiedenen Abstände und Winkel zu veranschaulichen, die für die mathematische Untersuchung der vorgenannten Vorrichtung benotigt weiden;

F i g. 8 zeigt in gleicher Weise eine kinematische Linienzeichnung zur Veranschaulichung der verschiedenen Abstände und Winkel, die für die mathematische Untersuchung einer etwas abgewandelten Ausfuhrungsform der vorgenannten Vorrichtung benötigt werden.

Wie F i g. 1 erkennen läßt, sind auf eine Maschinengrundplatte 1 zwei Stützen 21 und 29 aufgesetzt, die die hin- und hergehende Werkstückplatte 10 tragen, und zwar mit Hilfe von zwei Rollensätzen 19 und 20, die die Werkstückplatte im Fahrweg führen.

An der Unterseite der Werkstückplatte 10 ist über einen Steg 9 ein Abtriebsglied in Form einer Zahnstange 7 angebracht. In diese Zahnstange greift das Zahnrad 6 ein. Es ist auf einer Antriebswelle 4 montiert, die insbesondere in Fi g. 2 und 4 erkennbar ist. Die geometrische Achse dieser Welle 4 durchsetzt das Zahnrad 6 im Bereich seines Randes, und zwar vorzugsweise etwa im Bereich des Teilkreises.

Das Zahnrad 6 ist noch mit einer zweiten Welle 13 versehen, deren geometrische Achse durch den Mittelpunkt des Zahnrades führt und die daher als Mittelpunktswelle bezeichnet sei. Diese Mittelpunktswelle 13 ist innerhalb eines am Zahnrad 6 befestigten Gehäuses 15 angeordnet und trägt das Gehäuse mit Hilfe von Kugellagern 16.

Die genannte Welle 13 ist mit einer Platte 11 verbunden, deren Zweck es ist, den Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Zahnrades 6 und der Zahnstange 7 konstant zu halten, so daß das Zahnrad 6 stets mit der Zahnstange 7 im Eingriff bleibt. Diese Platte 11 wird daher als Abstandsplatte bezeichnet. Auf dieser Abstandsplatte 11 sind zwei Sätze von Rollenbolzen 12 angebracht, zwischen denen eine parallel zur Zahnstange 7 montierte Führungsleiste 8 hindurchläuft. An dieser Abstandsplatte ist die Minelpunktswelle 13 mittels einer Mutter 14 befestigt.

Die Antriebswelle 4 ist innerhalb eines Gehäuses in Kugellagern 17 und 18 gelagert. Dieses Gehäuse stellt das schwingende Ende eines einarmigen Schwenkhebels 3 dar, der, wie aus F i g. 4 ersichtlich, mit seinem anderen Ende an einer gehäusefest gelagerten Welle 39 gehaltert ist. Diese Welle 39 ist mit Hilfe von Kugellagern 31 in Lagerböcken einer Halterung 30 gelagert, die über Abstandsstücke 2 mit der Grundplatte 1 verbunden ist.

Zum Antrieb der Antriebswelle 4 des Zahnrades 6 dient ein auf dieser Welle koaxial befestigtes Zwischenrad, und zwar in diesem Falle ein Kettenrad 5. Dieses Kettenrad 5 wird durch ein Kettenrad 23 über eine Kette 22 angetrieben. Das Kettenrad 23 seinerseits sitzt auf einem Reduktionsgetriebe 28. Ein Motor 24 treibt über seine Riemenscheibe 25 mittels eines Riemens 26 die Keilriemenscheibe 27 des genannten Getriebes 28. Dieser Motor 24 wird durch Relais in Betrieb gesetzt und angehalten. Gegebenenfalls können ein Bremsmotor oder besondere Bremsen vorgesehen werden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die geometrische Achse der Abtriebswelle des Getriebes 28 koaxial angeordnet zu der geometrischen Achse der stationären Welle 39, die den Schwenkhebel 3 trägt. Infolgedessen wird bei der Schwenkbewegung des Schwenkhebels 3 der Achsenabstand zwischen den Rädern 5 und 23 nicht geändert. Somit können die Antriebskette 22 sowie die Kettenräder 5 und 23 durch eine entsprechende Stirnradübersetzung ersetzt werden.

Die Arbeitsweise der als Ausführungsbeispiel gewählten Vorrichtung ist anschaulich aus den fünf Darstellungen der F i g. 5 ersichtlich. Dort sind an Hand von schematischen Skizzen fünf aufeinanderfolgende Bewegungszustände im Zuge der in einer Richtung verlaufenden Bewegung gezeigt. Die Rückbewegung erfolgt in genau der gleichen Weise, so daß deren Aufzeichnung sich erübrigt. Da durch die Abstandsplatte 11 nur die Einhaltung des konstanten Abstandes zwischen dem Mittelpunkt des Zahnrades 6 und der Zahnstange 7 bewirkt wird, ist der Übersichtlichkeit wegen auch von der Darstellung der Abstandsplatte 11 abgesehen worden.

Beim Anlauf des Motors befindet sich die Vorrichtung in der Ausgangsstellung gemäß F i g. 5A, d. h. in der Stillstandsposition. Das Anlaufen des Motors setzt das Zwischenrad 5 in Drehbewegung im Uhrzeigersinn um seine geometrische Achse, d. h. um die geometrische Achse der Antriebswelle 4. Da dieses Zwischenrad 5 mit dem Zahnrad 6 durch die Antriebswelle 4 fest verbunden ist, dreht sich auch das Zahnrad 6 um die geometrische Achse der Antriebswelle 4 im Uhrzeigersinn. Da aber der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Zahnrades 6 und der Zahnstange 7 durch die Abstandsplatte 11 konstant gehalten wird, bewegt sich der Schwenkhebel 3 entgegen dem Uhrzeigersinn abwärts. Hierbei beschleunigt das Zahnrad 6 die Zahnstange 7 stoßfrei und weich in Richtung nach rechts, wobei die Geschwindigkeit der Zahnstange fortlaufend zunimmt und die Antriebswelle 4 des Zahnrades 6 sich ebenfalls nach unten bewegt.

Nach Drehung des Zahnrades 6 um einen Winkel von e'wa 90 im Uhrzeigersinn ergibt sich die Stellung gemäß der Fig. 5B. In dieser Stellung ist die Antriebswelle 4 so weit nach unten geschwenkt, daß die Verbindungslinie der geometrischen Achsen der Wellen 4 und 13 in der waagerechten Ebene liegt. In dieser Stellung ist die Geschwindigkeit der Zahnstange 7 etwa ebenso groß wie die absolute Umfangsgeschwindigkeit am Teilkreis des Zahnrades 6.

Wird die Drehbewegung des Zahnrades 6 im Uhrzeigersinn fortgesetzt, so wandert die Antriebswelle 4 weiter nach unten. Die Zahnstange wird hierbei weiter beschleunigt, jedoch in abnehmendem Maße. So gelangt die Antriebswelle 4 nach einer Drehung des Zahnrades 6 um etwa 180 in die Stellung gemäß Fi g. 5C. Hier hat die Antriebswelle 4 den untersten Punkt ihrer Bewegungsbahn erreicht, und die Zahnstange 7 hat ihre größte Geschwindigkeit in Richtung nach rechts erhalten. Jetzt bewegt sie sich etwa doppelt so schnell wie die relative Umfangsgeschwindigkeit am Teilkreis des Zahnrades 6. In dieser Stellung hat die Beschleunigung der Zahnstange 7 ihren Nullwert erreicht.

Die weitere Drehbewegung des Zahnrades 6 um seine Antriebswelle 4 führt dazu, daß diese Welle 4 sich nunmehr wieder aufwärts bewegt. Nach etwa 270

Drehbewegung des Zahnrades 6 ergibt sich die in Fig. 5 D dargestellte Stellung. Hier ist die Antriebswelle 4 also schon wieder nach oben gewandert und liegt wieder in der gleichen waagerechten Ebene wie die Welle 13. Die Geschwindigkeit der Zahnstange ist in dieser Stellung so weit verringert, daß sie wieder ebenso groß ist wie die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnrades 6 an seinem Teilkreis.

Schließlich bringt die weitere Drehbewegung des Zahnrades 6 die Arttriebswelle 4 wieder zurück in ihre Ausgangsstellung, die in Fig. 5 E dargestellt ist. Während dieser letzten Phase der Drehbewegung des Zahnrades 6 hat eine weiche Verzögerung der Zahnstange 7 stattgefunden, und zwar bis zum völligen Stillstand bzw. je nach den gewählten Verhältnissen nahezu zum Stillstand oder aber auch schon geringfügig in die entgegengesetzte Richtung. Dieses hängt von den besonderen geometrischen Bemessungsverhältnissen der verschiedenen Parameter ab, wie es nachstehend näher erläutert werden wird. Diese jo Fig. 5E zeigt bei dem gewählten Ausführungsbeispiel jedenfalls die Zahnstange 7 in ihrer rechten äußersten Grenzstellung.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der Umlauf des Zahnrades 6 um die auf- und niederschwingende Antriebswelle 4 die Zahnstange 7 über eine Strecke bewegt, die gleich dem Umfang des Teilkreises des Zahnrades 6 ist. Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Zahnstange weich beschleunigt wird, bis sie ihre höchste Geschwindigkeit etwa in der Mitte ihres Weges erreicht hat, um dann auf der anderen Hälfte ihres Weges wieder verzögert zu werden. Dieser zuerst beschleunigte und dann verzögerte Bewegungsvorgang spielt sich bei gleichbleibender Geschwindigkeit des Zahnrades 6 während seines Umlaufes ab. Es sei bei dieser Gelegenheit erwähnt, daß nur zur Veranschaulichung eine Verbindung von Zahnrad umi Zahnstange gewählt ist. Selbstverständlich kann die gleiche Wirkung auch unter Verwendung anderer Antriebsverbindungen z\u sehen Rad und Stange, ζ. Β durch einen Reibantrieb, erzielt werden.

Die vorstehenden Erläuterungen haben zunächsi den Zweck verfolgt, das Wesen der Vorrichtung zu veranschaulichen. Eine genaue mathematische Untersuchung dieses Antriebes bestätigt nicht nur die vorstehend erläuterten, aus F i g 5 anschaulich erkennbaren Verhältnisse, sondern ergibt auch wichtige Aufschlüsse über die Beziehung zwischen den verschiedenen wählbaren geometrischen Parametern Dadurch wird die Möglichkeit gezeigt, gewünschte Beziehungen zwischen den Größen Beschleunigung. Geschwindigkeit, Platzbedarf sowie verschiedenen StHlstandscharakteristiken zu erzielen, so daß es durch Wahl der zweckmäßigsten Abmessungen möglich ist. den Arbeitstisch den vrcnen, jeweils im Einzelfall vorliegenden rrderissen anzupassen

F i g. 6 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform Bei dieser Vorrichtung sind das Untersetzungsgetriebe 32 and der Elektromotor 33 unmittelbar auf te den Schwenkhebel 34 aufgebaut. Hierbei treibt der Elektromotor 33 mittels seiner Riemenscheibe 36 aber einen Riemen 37 die emgangsseitipe Riemenscheibe 38 des Untersetzungsgetriebes 32 an Auf der Abtriebswelle 35 des Getriebes 32 ist das die Zahn- 6$ stange 7 bewegende Zahnrad 6 unmittelbar befestigt. so d&6 also diese Abtriebsweile 35 zugleich die Antriebswelle des Zahnrades 6 darstellt Durch diese abgewandelte Konstruktion ergeben sich einige Unterschiede hinsichtlich der Beschleünigungs- und Geschwindigkeits-Charakteristiken. Dieses sei durch die nachstehende Untersuchung näher erläutert.

Diesem Zweck dient das in Fig. 7 dargestellte kinematische Diagramm, aus dem die Unterschiede hervorgehen. Für die Berechnung sei der Halbmesser des Zahnrades 6 auf dein Grundwert 1 festgelegt. Der Abstand zwischen dem geometrischen Mittelpunkt des Zahnrades 6 und der Antriebswelle 35 sei mit λ bezeichnet. Die Länge des Schwenkhebels 3, gemessen von der Antriebswelle 35 bis zur Schwenkachse des Hebels ist als n? bezeichnet. Hiermit soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die wirksame Länge der Längsmittellinie des Hebels rr-mal so lang ist wie der vorgenannte Abstand /.

(·) ist der Winkel zwischen der Senkrechten vom geometrischen Mittelpunkt des Zahnrades 6 zur Zahnstange 7 und der Verbindungslinie, die von diesem Mittelpunkt zur Antriebswelle 35 führt, /f ist der Winkel zwischen der zuletzt genannten Verbindungsstrecke, deren Länge mit Ί, bezeichnet ist. und der Längsmittellinie (Länge - σ?.) des Schwenkhebels 3.

Der Abstand, der sich von der Schwenkachse des Hebels 3 zu demjenigen Punkt der Zahnstange ergibt, der bei <·) = 0 den Berührungspunkt der Zahnstange mit dem Zahnrad 6 darstellt, ist mit V bezeichnet

Alle die vorgenannten Variablen sind so gewählt, daß sie dimensionslos nur im Verhältnis zueinander betrachtet werden. Dadurch wird die Untersuchung der geometrischen Verhältnisse klarer, als wenn man diese Größen in Maßeinheiten angibt.

Es ist der Zweck dieser Untersuchung, die Beziehungen zwischen (·) und /. für eine beliebige vorgegebene Größe von σ zu ermitteln, wenn die erste Ableitung von U nach (-> — 0 ist. Weiterhin soll das Verhältnis von <·> /u /. für irgendeinen vorgegebenen Wert von η ermittelt werden, wenn die zweite Ableitung von V nach (·) -- 0 ist. Die auf diese Weise gefundenen beiden Lösungen können dann aufgelöst werden, so daß sie die entsprechenden Werte für <-> und /. zu jedem Wert von π ergeben.

Ein anderer Weg besteht darin, zu einer Änderung von W um einen bestimmten Wert den Wert für (-) und /. zu jedem Wert von η zu suchen, in der Weise, daß die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Zahnstange zugleich den Wert Null annehmen.

Das Erstrebenswerte dieses besonderen Falles ist es, einen Arbeitspunkt zu finden, in dem der Nullverlauf einen maximalen Wert annimmt. Es soll also für einen befriedigend großen Bereich der Werte für W im Bereich dieses Arbeitspunktes die Änderung des Wertes U möglichst klein sein. Dieses ist von großer praktischer Bedeutung, da sich hierdurch ein \ erhältnismäßie weiter Bereich for das Anlaufen and das Anhalten des Zahnrades unter eitig sehr geringfugiger Änderung des Wertes U ergibt.

Weiterhin ergibt sich hierdurch, daß der Antriet eine gewisse Geschwindtgtoet erreidrt, bevor er die volle Belastung erMlt, die durch den nw der Zahnstange 7 verbundenen Arbeitstisch dem Getriebe auferlegt wird. Ebenso ergibt sich die Möglichkeit den Motor erst dann abr zu müssen, wenn dei Umlauf des Zahnrades die Zahnstange 7 nebst Ar beitstisch bereits vollständig oder nahezu zum Still stand gebracht hat. Somit braucht der Antriebsmotor nur die umtaufenden Teile der Vorrichtung zu be schleunigen, und in entsprechender Wehe sind bein

Anhalten nur diese gleichen Teile zum Stillstand zu bringen. Die Beschleunigung von Zahnstange nebst Arbeitstisch erfolgt somit erst dann, wenn der Motor seine normale Drehzahl erreicht hat. Ebenso ist die Verzögerung der Bewegung von Zahnstange 7 und Arbeitstisch praktisch beendet, bevor die Bremsen des Motors ansprechen müssen.

Die 1. Ableitung der Veränderlichen U in bezug auf den Winkel θ ergibt sich folgendermaßen:

dt/
άβ

= 1 -/.cos« 1 +

sine

- 1 4 sin²«)¹

Für die 2. Ableitung der Veränderlichen U in bezug auf den Winkel «ergibt sich

-2sin²M)-sin⁴fl

dl/ d²U

Wenn j^ gleich Null und in gleicher Weisejfgi

gleich Null gesetzt wird, so ergibt sich für « ein Wert, der als Θ_Ν bezeichnet sei. Ferner ergibt sich ein bestimmter Wert für /. für jeden abgeleiteten Wert des Parameters <r, der innerhalb eines praktisch in Frage kommenden Bereiches von etwa 2 bis 10 liegt.

du
Weiterhin ergibt sich, daß der Betrag g^ direkt

proportional der tatsächlichen Geschwindigkeit der Zahnstange 7 ist und der Betrag jj^r proportional

der tatsächlichen Beschleunigung, unter der Voraussetzung, daß die Änderung des Winkels H in Abhängig-

d θ
keit von der Zeit konstant ist, also -rr — K.

Betrachtet man nunmehr wieder Fig. 1, so ergibt sich, daß diese Voraussetzung nur dann gegeben ist, wenn die Kettenräder 5 und 23 im Durchmesser gleich sind. Stimmen diese Durchmesser nicht miteinander überein, so verursacht die Schwenkbewegung des Schwenkhebels 3 eine relative Winkelbewegung zwischen den beiden Kettenrädern 5 und 23. Da von der Voraussetzung ausgegangen wird, daß der Motor, das Untersetzungsgetriebe und das Kettenrad 23 sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit drehen, können auch das Kettenrad 5 und das Zahnrad 6 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Diese Räder sind also von der jeweiligen Stellung des Schwenkhebels 3 unabhängig, jedoch nur dann, wenn die Kettenräder 5 und 23 die gleichen Durchmesser aufweisen.

Nun sei das Verhältnis des Durchmessers von Rad 23 zum Durchmesser vom Rad 5 festgelegt, und zwar als dimensionsloser Parameter £. Dann ergibt sich, daß dieser ein sehr brauchbarer Parameter ist, der dazu benutzt werden kann, die Charakteristiken der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Zahnstange über den gesamten Arbeitsbereich hinweg wahlweise festzulegen.

Der weiteren Betrachtung sei nun der Fall zugrunde gelegt, daß das Zahnrad 6 sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit in bezug auf den Schwenkhebel 3 dreht Ein Weg, der es gestattet, diese Bediagung zu erfüllen, ist durch die Anordnung gemäß F i g. 6 verwirklicht, bei der das gesamte Antriebssystem auf den Schwenkarm 34 montiert ist. Bei dieser Ausführungsform ändert sech der Winkel (i um einen konstanten Wert in Abhängigkeit von der Zeit Es

15

20 ist also "Jf = ic. Andererseits ist die Geschwindigkeit der Zahnstange 7 in Abhängigkeit von der Zeit proportional dem Wert -jj, und die Beschleunigung der Zahnstange in Abhängigkeit von der Zeit ist pro-

du dl/

portional ~j~«r. Hierbei ergibt sich für -jj

dl/

.,.. d²ü .. . .
rur -rjr ergibt sich

1 -

α²—

- λ

Nunmehr sei bei

- 2icos/f)~^37r

dU

und

von dem gleichen

άϋ A²V

Kriterium ausgegangen, das bei ~j"q und ■jgr angewandt wurde und darin besteht, daß diese Werte sämtlich = O gesetzt werden und dann für einen bestimmten Wert von β aufgelöst werden, der als ß_N bezeichnet sei, sowie für den bestimmten Wert von A, und zwar für jeden abgeleiteten Wert von ο innerhalb des praktisch in Frage kommenden Bereichs. Dann ergibt sich, daß diese Arbeitspunkte genau denjenigen entsprechen, die durch die Untersuchung zum Winkel « gefunden wurden. Dieses bedeutet, daß der in erster Linie zu erstrebende Verharrungspunkt (Nullstellung) mit demjenigen übereinstimmt, in dem der Winkel θ sich um einen konstanten Wert in bezug auf die Zeit ändert bzw. in dem sich der Winkel β um einen konstanten Wert ebenfalls in Beziehung zur Zeit ändert.

Während die Verharrungs- oder Ruhepunkte in beiden Fällen gleich sind, sind aber die kinematischen Verhältnisse der Bewegung der Zahnstange 7 im Zuge des Verschiebungsweges, was hervorgehoben sei, unterschiedlich für diese verschiedenen Stellungen. Diese Unterschiede werden aber um so kleiner, je größer der Parameter σ wird, und sie verschwinden vollständig, wenn a = χ ist.

Nach diesen Klarstellungen sei nunmehr F i g 5 betrachtet Hierzu können zwei Teilabschnitte unterschieden werden, die mit den Kennbuchstaben B und D bezeichnet seien. Die Arbeitsstellung B ist in Fig 5B dargestellt und die Arbeitsstellung D in Fig. 5D.

Wenn sich das Zahnrad 6 in bezug auf die Zahnstange 7 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht, wenn sich also H in Abhängigkeit von der Zeit

de um einen konstanten Wert ändert, & h.,wenn ^f = k

te ist. so ergibt sich, daß die Beschleunigung der Zahnstange 7 im Bereich der Arbeitsstellung B gemäß Fi g. S B größer ist ah im Bereich der Arbeitsstellung D gemäß F i g. SD. Dieser Unterscheid ist um so größer, je kleiner der Parameter η ist

6$ Wenn sich das Zahnrad 6 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in bezug auf den Schwenkhebel 3 dreht, wenn also der Winkel fi sich in Abhängigkeit von der Zeit um einen konstanten Wert ändert, 4 h.

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wenn -^f = k ist;, dann ergibt sich, daß die Beschleunigung im Arbeitsbereich D gemäß Fig. 5D größer ist als im Arbeitsbereich B gemäß Fig. 5B und daß der Unterschied ebenfalls um so größer wird, je kleiner der Parameter σ ist.

Auf Grund dieser Überlegungen empfiehlt sich die Verwendung der Kettenrad-Übersetzung £, die vorstehenderläutert wurde, als ein Weg, jeweils denjenigen Grad der Beschleunigungsunterschiede zu erreichen, der gewünscht wiird, einschließlich also des Falles, in dem ein Unterschied nicht gewünscht wird. Um dieses genau zu untersuchen, sei ein Winkel ψ folgendermaßen definiert:

ψ --= (1 - E)/i +· EH.

Wenn das Kettenradverhältnis den Wert £ besitzt, so ergibt sich, daß die Geschwindigkeit der Zahn-

dl/
stange 7 proportional zu $ und die Beschleunigung

der Zahnstange 7 proportional zu <^,t ist. So ist der vorstehend definierte Winkel y ein brauchbares mathematisches Hilfsmittel zur Ermittlung der jeweiligen Geschwindigkeit und Beschleunigung der Zahnstange 7. Obwohl dieser Winkel in dem kinematischen Diagramm nicht darstellbar ist, so ist dieser aber doch mathemalisch von Bedeutung.

Die vorstehenden Untersuchungen führen also zu dem Ergebnis, daß es möglich ist. durch das Kettenradverhältnis E Einfluß auf die Charakteristiken der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Zahnstange 7 zu nehmen. Liegt dieses Verhältnis zwischen 0 und 1. so liegen die Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Charakteristik innerhalb derjenigen Grenzen, die dadurch gegeben sind, daß entweder (-) oder ti sich um einen konstanten Wert in Abhängigkeit zur Zeit ändern. Tatsächlich liegen die Verhältnisse so. daß dann, wenn E = 1 ist. diejenigen Bedingungen vorliegen, unter denen die Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Charakteristiken der Zahnstange 7 die gleichen sind wie diejenigen, wenn der Winkel (-) sich um einen konstanten Wert im Verhältnis zur Zeit ändert. Wenn E- 0 ist, so ergeben sich diejenigen Bedingungen, unter denen die Geschwindigkeitsund Beschleunigungs-Charakteristiken der Zahnstange 7 die gleichen sind die man erhält, wenn der Winkel (i sich um einen konstanten Wert im Verhältnis zur Zeit ändert. Setzt man £ = 0.5, nimmt man also an. daß das Kettenrad 23 im Durchmesser nur halb so groß ist wie das Kettenrad 5, so ergibt sich, daß eine nahezu vollkommene Symmetrie zwischen der Geschwindigkeits- und der Beschleunigungs-Charakteristik der Zahnstange 7 erreicht ist.

Ist E größer als 1, so ist der Unterschied der Geschwindigkeits- und der Beschleunigungs-Charakteristiken der Zahnstange 7 noch größer, und /war in dem gleichen Sinne, als wenn man « um einen festen Wert im Verhältnis zur Zeit ändern würde

1st £ negativ oder kleiner als 0. wie es möglich ist. wenn man die Kette sich kreuzen läßt oder wenn man bei einem entsprechenden Zahnradantrieb ein Zwischenrad wegläßt, so daß das Rad 5 in entgegen göetztem Drehsinn zum Rad 23 umläuft, so ist der Unterschied der Geschwingkeits- Und der Beschleu Zahnstange 7 dann noch h

man β um einen festen Wert im Verhältnis zur Zeit ändert.

Es besteht die Möglichkeit, das Zahnrad 5 oder das ganze Antriebssystem auf einen Schlitten zu montieren, auf ein Parallelogrammgesiängc oder auch auf ein 4-Stangen-Gestänge, um die gleiche Wirkung zu erzielen, wie beim Gebrauch des dargestellten einfachen Schwenkhebels, und zwar mit oder ohne Nutzbarmachung dieses Parameters E. Es wurden dann allerdings die konstruktiven Abmessungen der Vorrichtung weitaus größer werden, so daß eine solche Konstruktion nicht so praktisch wäre, wie die erläuterten Ausführungsbeispiele.
So sei nunmehr noch ein anderer geometrischer Parameter Λ erläutert:

In den vorangegangenen Ausführungen war der in F i g. 7 geometrisch dargestellte Mechanismus zugrunde gelegt worden, bei dem der Schwenkpunkt des Schwenkhebels 3 im rechten Winkel zu derjenigen Linie liegt, die von der Zahnstange im Eingriffspunkt des Antriebsrades senkrecht abgeht, wobei diese Linie durch die vom Schwenkpunkt kommende Senkrechte in einem Punkt geschnitten wird, dessen Abstand von dem Eingriffspunkt gleich dem Halbmesser des Zahn-Stangenrades 6 ist.

Demgegenüber ist bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 der Drehpunkt des Schwenkhebels von dieser Senkrechten um einen Betrag Λ/. entfernt. Auch hier bedeutet Λ einen dimensionslosen Parameter. Die hierfür geltenden Gleichungen der Bewegungsverhältnisse sind schon behandelt worden. Es genügt festzustellen, daß die Einführung dieses Parameters A die Möglichkeit gibt. Unterschiede zu schaffen und dadurch die Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-

Charakteristiken der Zahnstange 7 zu beeinflussen. Hierbei ändert sich die Richtung dieser Abweichungen, je nachdem ob Λ positiv ist, wie dargestellt, oder aber negativ, was dann der Fall ist, wenn der Schwerpunkt des Schwenkhebels auf der anderen Seite der vorgenannten Linie liegt.

Der letzte geometrische Parameter, der betrachtet werden soll, sei mit K bezeichnet. Dieser Faktor hat allerdings nur einen sehr geringen Einfluß auf die Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Charakteristiken der Zahnstange 7. Dafür aber ist der Einfluß diese; Faktors auf die Ruhestellung, d. h. auf den Nullverlauf des Mechanismus, sehr groß. Dieser Faktor K ist folgendermaßen definiert:

/-Faktor, wie in der Praxis benutzt

K =

/.-Faktor gemäß den Differentialgleichungen

g ma liegt in der gfekbea Richtung, als wenn Fs sei der Faktor K geringfügig größer gewählt als eine Einheit. Dann wird die Geschwindigkeit der Zahnstange 7 geringfügig negativ in demjenigen Punkt, in dem die Beschleunigung der Zahnstange 7 gleich Null ist. Dieser Punkt liegt praktisch in der Mitte der Stillstandsperiode. Praktisch bedeutet dieses, daß zu dem genannten Zeitpunkt eine gertngftigigc rückläufige Bewegung stattfindet. Genauere Berechnungen

to ergeben, daß eine erhebliche Vergrößerung der praktischen Ruhestellung erreicht werden kenn, wenn man eine sehr kleine nickläuriiic Bewegung schaft Daß dieses der Fall ist, ist eine natürlich* Folge der zugrunde gelegnen Voraussetzungen, daß sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung der Zahnstange 7 gleichzeitig den Wen Null annehmen. Umgekehrt gut. daß dann, wenn der t-akur K geringfügig kiemer ret ah I. dk Zahnstange 7 nicht

zu einem völligen Stillstand kommt, obwohl diese Beschleunigung durch den Nullpunkt hindurch verläuft. Eine solche Charakteristik ist für manche Sonderfälle vorteilhaft.

Die gründliche Untersuchung aller dieser verschiedenen Beziehungen zueinander führt zu folgenden wichtigen Schlußfolgerungen:

1. Bei diesem Mechanismus können der Verlauf der Geschwindigkeits- und Bcschleunigungs-Charakteristiken über einen breiten Bereich dadurch bestimmt werden, daß man die Werte π und £ entsprechend wählt. Der letztgenannte Wert kann bei der fertig vorliegenden Vorrichtung nach Wunsch über einen breiten Bereich geändert werden.

2. Eine andere Änderung der Charakteristiken von Geschwindigkeit und Beschleunigung kann durch die Wahl des Parameters !> erreicht werden.

3. Die Charakteristiken des Ruhebereichs können über einen genügenden Bereich durch eine entsprechende Wahl des Faktors K beeinflußt werden.

Die beschriebene Vorrichtung stellt eine äußerst einfache und ohne Schwierigkeilen zu bedienende Konstruktion dar, die es gestattet, kleine und auch große Massen über größere Arbeilsstrecken hin und her zu bewegen. Der Arbeitsweg ist hierbei gleich dem Umfang des Teilkreises des Antriebszahnrades 6. nicht also nur gleich dem Durchmesser eines solchen Zahnrades, wie bei einem Kurbeltrieb. Weiterhin ist ersichtlich, daß sowohl die Beschleunigungs- als auch die Ruhelagen-Charakteristik derjenigen eines Kurbeltriebes überlegen ist.

Die Vorrichtung kann aus genormten Bauteilen zusammengesetzt werden und erfordert keinerlei ungewöhnliche Einzelheiten. Die Belastbarkeit kann so groß gewählt werden, wie es vernünftigerweise in der Praxis erforderlich ist, und zwar einfach durch Vergrößerung der Eingriffslinie der Zahnstange und des Antriebs-Zahnrades unter entsprechender Auslegung der übrigen Teile des Antriebes. Hinsichtlich der Bemessung besteht keine Begrenzung wie bei vielen anderen Schrittschaltwerken.

Vorrichtungen z-ir Begrenzung des Arbeitsweges sind nicht erforderlich, weil die vorliegenden kinematischen Charakteristiken der Vorrichtung in oder bei dem Ruhepunkt solche mechanischen Gegebenheiten erbringen, daß die Anordnung von selbst zum Stillstand kommt. Die Belastbarkeit dieser arretierenden Vorrichtung ist nur durch die Festigkeit der Zähne des Antriebsrades und der Zahnstange bestimmt.

Es läßt sich ein weiter Bereich der Beschleunigungs-Charakteristiken erzielen, indem bei der Ausrichtung des Mechanismus die richtige Auswahl der maßgebenden Parameter a, E und f> getroffen wird.

Es können Anwendungsmögiichkeiten vorliegen, bei denen verschiedene Wege oder Stufen in der gleichen Richtung benötigt werden. Als Beispiel sei die Materialzofiihrung zu Pressen benannt. Um das mehrfache Fortschreiten in der gleichen Richtung mittels dieser Vorrichtung zu erzielen, genügt es. die Zahnstange in dem entsprechenden Ausmaß zu verlängern, in diesem Falle durchläaft das antreibende Zahnrad diese Strecke in mehreren Umdrehungen mit oder ohne Anhalten des Motors in den verschiedenen Ruhepenkten.

Diese Vorrichtung kann auch für umlaufende Index-Getriebe benutzt werden. Hierbei wird die gerade Zahnstange durch ein großes innen- bzw. außenverzahntes Zahnrad ersetzt. Die kinematische Charakteristik der Anordnung ändert sich nur wenig, wenn die gerade Zahnstange durch eine gekrümmte Zahnstange ersetzt wird, und die Änderung der Ruhepunkts-Charakteristiken ist so gering, daß sie als unbeachtlich betrachtet werden kann. Weiterhin verringern sich diese Unterschiede in dem Maße, in dem die angetriebene Zahnstange sich im Verhältnis zum Antriebszahnrad vergrößert.

Der Antriebsmechanismus ist bei den Ausführungsbeispielen als Elektromotor mit Reduktionsgetriebe

,5 dargestellt. In manchen Fällen mag es vorteilhafter sein, dieses System durch ein Zahnrad-Zahnstangensystem zu ersetzen, dessen Zahnstange durch einen pneumatischen oder hydraulischen Zylinder axial bewegt wird, wobei die Zahnstange ihrerseits das

Zahnrad dreht. Solch ein Zylinder-Zahnstangen-Zahnrad-Antrieb kann vollständig auf den Schwenkhebel montiert werden und kann kinematisch zu genau den gleichen Verhältnissen führen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6. Man kann einen solchen

Antrieb auch auf das Grundgestell der Maschine montieren, so daß die angetriebene Welle die Abtriebswelle des Reduktionsgetriebes gemäß F i g. I ersetzt. Hierdurch ergibt sich eine kinematisch übereinstimmende Ausführungsform mit völlig freier Wahl des Parameters E. Beide Systemtypen haben die Eigenschaft, daß sie eine im wesentlichen gleichförmige, geradlinige Bewegung konstanter Geschwindigkeit (Zylinderhub) in eine geradlinige oder gekrümmte Bewegung umwandeln mit stoßfreier Beschleunigung und Verzögerung sowie mit selbsttätiger Stillsetzung am Ende eines jeden Hubes. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, durch Änderung des Zahnraddurchmessers den Arbeitsweg nach Belieben zu vergrößern oder zu verkleinern. Das gleiche Antriebsprin/ip läßt sich auch bei Index-Drehtischen verwenden.

Andere mechanische Abwandlungen, die auf dem Grundgedanken der beschriebenen Vorrichtung beruhen, seien nachstehend noch benannt:

1. Der Antrieb kann in jeder Stellung eingebaut werden. So ist es möglich, die Zahnstange längs einer senkrechten oder einer geneigten Richtung wirken zu lassen. Es kann das Treibrad in waagerechter oder geneigter Ebene ebenso wie in der dargestellten senkrechten Ebene arbeiten, oder allgemein gesagt, es kann in jeder Stellung ohne Beschränkung arbeiten.

2. Zur Führung des Abtriebselementes können ein Gleitschlitten, ein Parallelogramm, ein 4-Stangen-Gestänge, eine Schwinge oder ein ähnliches System in gleicher Weise benutzt werden, wie Rollen oder Schienen gemäß dem Ausführungsbeispiel.

V Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Einhaltung des genauen Mittenabstandes zwischen der Zahnstange 7 und dem geometrischen Mittel punkt des Zahnrades 6 eine Abstandsplatte 11 be nutzt, die mit einer Führungsleiste 8 und mit Rollen 12 zusammenarbeitet. Dieser Abstandhalter kann durch ein auf das Maschinen-GrundgesteH montiertes Führungssystem ersetzt werden. Das Zahnrad kann auch durch Federn oder durch pneumatische Zylinder, die in Richtung zur Zahnstange 7 wirken, mit dieser im Eingriff gehalten werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche.

1. Vorrichtung zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung, insbesondere für die Werkstfickplatie eines Arbeitstisches, mit einem in mit Zähnen versehenes Abtriebsglied eingreifenden und im Zahneingriff mit diesem gehaltenen, angetriebenen Zahnrad, dadurch gekennzeichnet, daß das angetriebene Zahnrad (6) außerhalb seines Mittelpunktes (13) mit einer Antriebswelle (4,35) verbunden ist, die quer zur Verschieberichtung des Abtriebsgliedes (7) um den sich parallel zum Abtriebsglied verschiebenden Mittelpunkt des angetriebenen Zahnrades beweglich geführt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (4) cm schwingenden Ende eines einarmigen, mit seinem anderen Ende gehäusefest gelagerten Schwenkhebels (3,34) gehaltert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (4) ein Zwischenrad (S) trägt, an dem das angetriebene Zahnrad (6) starr befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenrad (5) mit einem koaxial mit dem gehäusefesten Drehpunkt des Schwenkhebels (3) angeordneten Antrieb (22, 23, 28) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenrad (38) mit einem auf dem Schwenkhebel (34) angeordneten Antrieb (33, 3(S, 37) verbunden ist.