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Einrichtung zum selbsttätigen formschlüssigen Verbinden von Übertragungselementen,
wie z.B. Zahnrädern, Stirnkupplungen, insbesondere von Getrieben bei Werkzeugmaschinen
Im Werkzeugmaschinenbau werden umschaltbare Zahnrad getriebe verwendet. Die Umschaltung
kann grundsätzlich in zwei verschiedenen Formen erfolgen. Die kraStschlüssige Umschaltung
erfolgt mittels Drehmomentschalter, wie z.B. Reibungskupplungen, während die formschlüssige
Umschaltung vorzugsweise mittels Außen- bzw.
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Innenverzahnungen, Stirnkupplun#en, Raststiften oder Ziehkeile erfolgen
kann.
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Die Anwendung von kraftschlüssigex Kupplungen ist aus einer Reihe
von Gründen, wie z.B. große Einbaumaße,- Unwuchten, Antrieb, Drehzahlrücktrieb od.dgl.
problematisch.
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In einer Reihe von Aufgabenstellungen Ist die Anwendung solcher Kupplungen
aus den genannten Gründen nicht möglich. Bei autoniatiseh zu schaltenden Getrieben,
insbesondere bei lastschaltbaren Getrieben liegt dennoch die Anwendung solcher Kupplungen
nahe. In diesen Fällen mußten mit Rücksicht auf oben genannte Eigenschaften besondere
Maßnahmen mit entsprechendem Geräteaufwand getroffen werden.
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Bei Getriebeschaltung mittels formschlüssiger Übertragungselemente
entfallen im wesentlichen die Nachteile der kraftschlüssigen Bauteile, dagegen ist
eine programmgesteuerte Getriebeschaltung mit großen Schwierigkeiten verbunden,
die Lastschaltung ist schlechthin unmöglich.
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Da bei Formschluß Drehzahldifferenzen nicht möglich sind, kann der
Schaltvorgang theoretisch nur bei Synchronlauf oder bei Stillstand des Getriebes
erfolgen.
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Praktisch sind kleine Absolut- oder Relativdrehzahlen möglich. Die
Schwierigkeit liegt darin, daß die neu zu schaltenden Getriebeubertragungselemente
zufällige gegenseitige Lage haben und das Einrücken bzw. das Einschalten des Formschlusses
nur dann möglich ist, wenn ein positives Formstück (Zahn, Klaue, Stift) in ein negatives
Formstück (Zahnlücke, Klauenlücke, Aufnahmebohrung) eingebracht werden kann.
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Beim Versuch diesen Schaltvorgang zu automatisieren, treten bei Werkzeugmaschinen
noch zusätzliche Schwierigkeiten dadurch auf, da solche Umschaltvorgänge bei verschieden
hohen Drehzahlen gegen verschieden nachtreibende Trägheitsmomente und gegen un tors
ciii edl iche Trägheitsbelastungen am abgetriebenen Welleuende durchzuführen sind.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen formschlüssigen
Verbinden von tibertragungselementen, wie z.B. Zahnrädern, Stirnkupplungen-, insbesondere
von Getrieben bei Werkzeugmaschinen, vorzugsweise Drehmaschinen, wobei das antreibende
Ubertragungselement zur Verbindung mit dem abtreibenden durch eine auf einer Mutter
einer Schaltspindel angeordneten Schaltgabel verschiebbar ist. Die Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß auf der drehbaren Schaltspindel ein axial und in Umfangsrichtung
gefedertes Hilfszahnrad angeordnet ist, das mit dem Gegenrad eines von der Schaltgabel
axial bewegbaren mit Formschlußelementen versehenen Verschiebeblockes in Eingriff
setzbar ist, wobei Hilfszahnrad und Gegenrad von unmittelbar vor dem Ausrücken des
zu lösenden Formschlusses einer Getriebeübersetzung bis unmittelbar nach dem Einrücken
der Formschlußelemente der einzuschaltenden Getriebe übersetzung in Eingriff stehen.
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Mit der erfindu#ngsgemäßen Einrichtung ist eine last lose Getriebeumschaltung
mit geringem Aufwand und großer Betriebssicherheit gewährleistet, wobei die formschlüssige
Verbindung zwischen den zusammenzuschaltenden Übertragungselementen mit großer Schonung
ihrer Eingriffsteile erfolgt.
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In einer besonders funktionssicheren Ausführungsform ist vorgesehen,
daß die Schaltgabel auf der Mutter gegen die Wirkung von Federn in beiden Achsenrichtungen
verschiebbar angeordnet ist Ferner ist es zweckmäßig, wenn für den Antrieb der Schaltspindel
ein Schneckengetriebe vorgesehen ist, dessen Schnecke
auf ihrer
Welle in beiden Achsrichtungen gegen die Wirkung von Federn verschiebbar angeordnet
ist. Es bietet sich dabei die sehr vorteilhafte Möglichkeit, rnn Sohneoken#etriobe
von der Schnocko Rnstollerbaro elektrische Endlagenschalter zur Schaltwiederholung
vorzusehen. Sollte nämlich die Federung des llilfszahnrades für das Einrücken der
Fornischlußelemente des Verschiebeblockes, vorzugsweise Zahnräder und/ oder Stirnkupplungshälften,
nicht ausreichen, dann kommen die Endlagenschalter der Schnecke zur Wirkung.
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Es ist ferner vorteilhaft, zur Sehaltwegbegrenzung elektrische Endlagenschalter
vorzusehen, so daß bei vollzogener Getriebeumschaltung ein Abschaltbefehl an den
Schaltantrieb erfolgt. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist sowohl geeignet, die
Zahnräder eines Räderpaares und/oder die Hälften einer Stirnkupplung als auch bei
Getrieben die Zahnräder einer Antriebswelle mit den Zahnrädern einer Abtriebswelle
in Eingriff zu bringen. Der Aufbau der Einrichtung enn aber auch eine elektrische
Steuerung der Umschaltung der Getriebe von Werkzeugmaschinen, so daß die Getriebe
im Zuge des Arbeitsprogrammes durch die Programmsteuerung der Maschine steuerbar
sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert,
in der Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt sind. Fig.1 zeigt
eine Ausführungsform der Einrichtung im Längsschnitt, Fig.2 einen Querschnitt des
Hilfszahnrades, Fig.3 das Schneckengetriebe im Längsschnitt, Fig. ein Schema der
Schaltung zur elektrischen Steuerung der Einrichtung und Fig.5 eine zweite Ausführungsform
der Einrichtung im Längsschnitt.
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Nach Fig.1 ist bei einem Zahnradgetriebe für eine Drehmaschine parallel
zu der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 2 eine Schaltspindel 3 angeordnet,
die eine Mutter 4 trägt und an deren gewindelosen Ende das Schneckenrad 5 eines
die Schaltspindel mit niederer Drehzahl antreibenden Schneckengetriebes sitzt.
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Die Mutter 4 ist-zwischen Anschlägen 6, 7 gegen die Wirkung von Federn
8, 9 in einem gewissen Ausmaß axial verschiebbar. Eine Schaltgabel 10 verbindet
die Mutter mit den treibenden Zahnrädern ii, 12. Eines dieser Räder kann jeweils
bei Verschiebung der Schaltgabel über den Verschiebeblock 13 mit dem zugehörigen
Getriebezahnrad 14 bzw. 15 in Eingriff gebracht werden.
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Zwischen den getriebenen Rädern 14, 15 ist auf dem gewindelosen Teil
der Schaltspindel 5 ein Hilfszahnrad 16 angeordnet, das gegen die Wirkung von Federn
17, 18 in beiden Achsrichtungen auf der Wélle verschiebbar, aber auch gegen die
Wirkung einer auf der Welle befestigten, zweiflügeligen Blattfeder 19 in beiden
Umfangsrichtungen begrenzt verdrehbar ist (Fig.2). Das Hilfsz-ahnrad ist so bemessen,
daß es mit dem Zahnrad il als Gegenrad zusammenwirken kann.
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Die Schnecke 20 (Fig.3) ist auf ihrer vom Motor 21 angetriebenen Welle
22 gegen die Wirkung von Federn 23, 21i axial verschiebbar gelagert und mit einem
Schaltfinger 25 versehen, der bei Verschiebung in einer der beiden Achsrichtungen
einen Notendschalter E3 bzw. E4 zur Auslösung der Umsteuerung der Drehrichtung des
Motors 21 betätigt.
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Um beispielsweise die Drehzahl der Abtriebswelle 2 herabzusetzen,
wird das Räderpaar 11, 14 außer Eingriff gebracht und das Räderpaar 12, 15 formschlüssig
verbunden, wozu der Verschiebeblock 13 nach rechts auf der Antriebsachse 1 verschoben
werden muß.
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Die auf der Schaltspindel 3 nach rechts bewegte Mutter 4 schiebt den
Verschiebeblock vor sich her, bis das Zahnraci 11 an dem sich drohenden iiilfszahnrad
16 anliegt, wobei das Zahnrad 11 aber noch mit dem Rad 14 im Eingriff steht. Diese
Phase des Umschaltvorganges ist in Fig.1 dargestellt. Der von der nach rechts bewegten
Mutter ausgeübte Druck wird über das Zahnrad 11 auf das ilfszanrad übertragen, das
diesen Druck durch die Anordnung der Feder 18 elastisch aufnimmt. Das Zahnrad 11
kommt mit dem drehenden iiilfszahnrad in Eingriff und aus dem Bereich des Zahnrades
14. Wenn das Rad 12 mit dem Gegenrad 15 in Kontakt kommt, wird wieder durch den
von der Mutter ausgeübten Druck und durch die Drehung des Rades die formschlüssige
Verbindung zwischen den Rädern 12, 15 eingeleitet. Beim weiteren Verschieben des
Rades 12 kann das iiilfszahnrad kurzzeitig abgebremst werden, was durch die Anordnung
der Blattfeder 19 auf dem gewindelosen Teil der Schaltspindel 3 möglich ist, so
daß eine Überbeanspruchung der zusammenwirkenden Teile vermieden wird. Sobald die
Zähne der beiden Räder 12, 15 vollständig im Eingriff stehen, betätigt ein auf der
Gabel 10 angeordneter Schaltfinger 26 einen Endschalter der den Motor 21 abschaltet.
Für die Beendigung der Verschiebung des Verschiebeblockes 13 nach links zum lormschluß
der Räder 11, 14 ist die Gabel mit einem zweiten mit einem Endschalter E1 zusammenwirkenden
Schaltfinger 27 versehen.
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Bei ungünstigen geometrischen Bedingungen an den Rädern 12 und 15,
wenn etwa Zahn an Zahn zu liegen kommt, können so große Reibungskräfte auftreten,
daß über das Hilfszahnrad die Schaltwelle 3 abge~ bremst wird bzw. zum Stillstand
kommt. In diesem Fall schraubt sich die durch die Federn 23, 24 elastisch abgestützte
Schnecke 20 an dem stillstehenden oder abgebremsten Schneckenrad 5 z.B. nach unten
und betätigt mit ihrem Schaltfinger 25 den Notendschalter E4. Dieser Schalter polt
den Motor 21 durch eine Zeitverzögerungsschaltung zumindest so lange um, bis die
Federelement wieder entspannt sind.
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Der kurzzeitige Richtungswechsel des Antriebes genügt für ein geringes
Verschieben und Verdrehen des Rades 12, so daß für den neuen Schaltvorgang neue
geometrische Bedingungen vorgefunden werden Die Fig.4 zeigt eine Schaltung zur elektrischen
Steuer rung der selbsttätigen Umschaltung des Getriebes einer programmgesteuerten
Drehmaschine. Von der Programmsteuerung wird der Kontakt K2 geschlossen, wenn eine
bestimmte Getriebeumschaltung verlangt wird, und über die Kontakte r2, r3 und s1
und den Schütz S2 erfolgt die Einschaltung des Motors 21, wobei die Son-takte r'2
und r14 offen sind. Damit ist die Verschiebung des Verschiebeblockes 13 mit den
Rädern 11, 12 eingeleitet.
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Gelingt der Formschluß zwischen den Rädern 12, 15 nicht, so löst der
durch die Schnecke betätigte Schalter E4 das zugehörige zeitverzögerte Relais R4
aus, wodurch der Kontakt r4 geöffnet und der Kontakt r'4 geschlossen und der Motor
21 von den Schützen S1 und S2 umgepolt wird.
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Wie schon ausgeführt wurde, ist die Umpolung des Motors nur kurzzeitig,
da die in ihre Ausgangsstellung zurückkehrende Schnecke den Endschalter E4 freigibt
und der Motor für die neuerliche Verschiebung der Mutter nach links durch Umkehrung
des Steuervorganges zurUckgepolt wird.
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Nach Herstellung des Formschlusses zwischen den Rädern 12, 15 wird
der Endschalter E2 betätigt, das Relais R2 öffnet den Kontakt r2 und schließt den
Kontakt r"2, wodurch der Schütz S2 den Motor abschaltet und den Kontakt s12 zur
Betätigung der Bremse B des Motors durch den Schütz SB schließt. Gleichzeitig wird
der Kontakt r'2 und durch den Schütz Sp der Kontakt sp geschlossen und somit das
Programm der Drehmaschine weitergeschaltet.
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Für die Herstellung des Formschlusses zwischen den Rädern ii, 14 erfolgt
die Umschaltung analog.
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Bei dem Getriebe nach Fig.5 sind die treibenden Räder 28, 29 auf der
Antriebswelle 30 lose gelagert; sie stehen mit den getriebenen Rädern 31, 32 der
Abtriebswelle 33 dauernd in Eingriff. Die feste Verbindung der lose gelagerten Räder
mit ihrer Welle erfolgt durch Stirnkupplungen, deren einen Hälften 34, 35 an den
Rädern 28, 29 und deren anderen Hälften 36, 37 an den Stirnseiten des Verschiebeblockes
38 angeordnet sind. Der Verschiebeblock ist wie bei dem Getriebe nach Fig.1 auf
der Antriebswelle über die Schaltgabel 10 durch die mit der Schaltspindel 3 zusammenwirkende
Mutter 4 verschiebbar. Das Hilfszahnrad 16 ist auf dem gewindelosen Teil der Schaltspindel
3 vorgesehen, die durch den Motor 21
über das Schneckengetriebe
nach Fig.3 angetrieben wird.
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Auf dem Verschiebeblock 38 ist ein Zahnrad 39 als Gegenrad angeordnet,
das für den Eingriff in das Hiltszahnrad entsprechend ausgebildet ist. Die formschlüssige
Verbindung der Hälften einer der Kupplungen geht in der gleichen Weise vor sich
wie bei den Rädern des Getriebes nach Fig.1. Der Eingriff zwischen den beiden Hilfsräder
beginnt dabei wieder unmittelbar bevor der Formschluß zwischen den Hälften der einen
Kupplung gelöst und endet unmittelbar nach dem der Foriuschluß zwischen den Hälften
der anderen Kupplung eingeleitet ist.
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Die Verschiebung des Verschiebeblockes ist ebenfalls, wie zum Getriebe
nach Fig.1 beschrieben wurde, elektrisch steuerbar.