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Einrichtung zur Vergleichmänigung der
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Aufwindespannung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Unter einem "Faserband, Faden oder dergl." ist ein längliches Gebilde
verstanden, das aus Endlosfasern und/oder endlichen Fasern, beispielsweise in der
Länge von einig mm bis einigen cm oder auch längeren Fasern, besteht. Im einfachsten
Falle kann es sich um eine einzige Endlosfas-er, d. h. um ein Monofilament handeln.
Unter einem Faserband, Faden oder dergl. im Sinne der Erfihdung sind jedoch auch
Faserbänder, Fäden oder dergl. aus mehreren oder vielen Fasern verstanden,wie gedrehte
und ungedrehte Multifilamente, Fäden aus endlichen Fasern, Zwirne oder dergl. Vorzugsweise
kann es sich um Faserbänder, Fäden oder dergl. handeln,
wie sie
zur Armierung von aus ihnen und aushärtbaren Massen, wie duroplastischen Kunststoffen
oder dergl.
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hergestellten Rohren dienen können.
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Es gibt Fälle, bei denen es erwünscht ist, die einzelne Windunysschicht
mit jeweils ungefähr konstanter Aufwindespannung des Faserbandes, Fadens oder dergl.
aufzuwinden, beispielsweise um über die Länge der Wicklung konstante Packungsdichte
der Wicklung zu erreichen oder um das Faserband oder dergl. zu schonen. Vorzugsweise
kann es sich bei den Fasern des Faserbandes, Fadens oder dergl. um Kohlefasern oder
ähnliche empfindliche Fasern handeln, die schon wegen ihrer Empfindlichkeit mit
möglichst konstanter Aufwindespannung aufgewunden werden müssen.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist deshalb eine Kohlenfaserwickeleinrichtung,
bei der das Kohlenstoffaserband oder ein sonstiger länglicher Verband aus Kohlenstoffasern
von einem Lieferwerk mit vorzugsweise konstanter Liefergeschwindigkeit zur Wickelwelle
geliefert wird und auf dem Weg zur Wickelwelle eine Tränk- oder Beschichtungsvorrichtung
zuntAuftragen einer aushartbaren Masse, wie Kunststoff oder dergl. auf es durchläuft
und danach mit pro Windungsschicht konstanter Aufwindespannung auf die Wickelwelle
oder die Spule zwecks Herstellung eines hochfesten, kohlenstoffaserarmierten Rohres
aufgewunden wird.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Vergleichmäßigung
der Aufwindespannung der eingangs genannten Art zu schaffen, die recht genaue Konsta-nthaltünq
der Aufwindespannung während des Aufwindens der einzelnen Windungsschicht oder -schichten
auf einfache Weise ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindunq-sgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches
-1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Drehfeldmagnete sind bekannt. Beispielsweise stellt Firma Eberbard
Bauer GmbH & Co, Esslingen, Drehfeldmagnete her, die in der Ausführung "DW"
in einem großen Drehzahlbereich sowohl bei motorischem a-ls auch bei generatorischem
Betrieb ein nahezu konstantes Drehmoment entwickeln, und -zwar im Drehzahlbereich
von -nsy bis ungefähr +0,8 nSy Dabei ist nsy die Synchrondreh:zahl des Drehfeldmagneten.
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+n ist die Synchrondrehzahl bei motorischer sy und -ns bei generatorischem
Betrieb. Durch Einengung des für den Antrieb der Wickelvelle vorgesehenen Drehzahlbereiches
läßt sich die Konstanz des Drehmomentes noch erhöhen, Dieses ungefähr konstante
Drehmoment läßt sich in seiner Größe durch Änderung der Speisespannung des mit Drehstrom
gespeisten Drehfeldmagneten verstellen. Es kann deshalb zweckmäßig ein Spannungssteller
vorgesehen sein, der dem Verstellen der Speisespannung des Drehfeldmagneten
dient.
Dies ermöglicht es, die Speisespannung auf jeweils gewünschtc Werte einzustellen,
beispielsweise auch in Abhangigkeit des Aufwindedurchmessers des Faserbandes auf
der Wickelwelle in irgendeiner gewünschten Weise zu verstellen, vorzugsweise derart,
daß die Aufwindespannung auch bei sich anderndenx Aufwindedurchmesser ständig und
nicht nur während des Aufwindens einer Windungsschicht ungefähr konstanten Durchmessers
ungefähr auf demselben Wert konstant gehalten wird. Und zwar ändert sich bei konstantem
Antriebsdrehmoment der Wickelwelle die Aufwindespannung, d. h. die Aufwindekraft
umgekehrt proportional zu dem Aufwindedurchmesser, so daß man durch zum Aufwindedurchmesser
proportionale Verstellung des Antriebsdrehmomentes der Wickelwelle die Aufwindespannung
ständig ungefähr konstant halten kann. Unter Aufwindespannung ist also die Kraft
verstanden, die den zur Wickelwelle laufenden Faden zieht und gespannt hält und
entspricht deshalb der sogenannten Band- oder Fadenspannung des der Wickelwelle
zulaufenden Faserbandes, Fadens oder dergl.
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Diese Begriffe Fadenspannung und Bandspannung entstammen der Textilindustrie
und bedeuten also Kräfte und keine Spannuny im Sinne von Kraft/Flächeneinheit.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zur Erhöhung der Abtriebsdrehzahlen
des Drehfeldmagneten oder zur Erhöhung des Antriebsdrehzahlbereiches der Wickelwelle
oder
zur Verkleinerung des Drahzahlbereiches des Drehfeldmagneten
zur VerbeBsserung der Konstanz seines Drehmomentes vorgesehen sein, daß der-Stator
oder der Rotor des Drehfeldmagneten formschlüssig, vorzugsweise drehfest mit dXer
Abtriebswelle eines drehzahlverstellbaren elektrischen Hauptmotors verbunden ist.
-Der Haupta-ntriebsmotor kann beispielsweise ein drehzahlver-stellbarer Gleichstrommotor
sein ,jedoch kommen in vie-len Fällen auch für ihn andere Motorbauarten infrage,
beispielsweise als Asynchronmotor Die Verbindung der Welle des Drehfeldmagneten
mit der Wickelwelle kann bevorzugt mittels eines formschlüssigen Getriebe-s erfolgen
oder drehfest sein. Das Getriebe kann vor2ugsweise ein Zahnradgetriebe sein. Unter
form-schlüssigem Getriebe ist jedes Getriebe verstanden, das im Betrieb ein konstantes,
gegebenenfalls einstellbares Drehzahlverhältnis n1/n2 ergibt, wo n1 die Drehzahl
der antreibenden Weile und n2 die Drehzahl der abtreibenden Welle ist.
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Auch ist es baulich besonders einfach, wenn der vom Hauptmotor angetriebene
Teil (Stator oder Läufer)
des Drehfeldmagneten mit diesem Hauptmotor
ebenfalls drehfest verbunden ist. Jedoch kann auch hier ein Getriebe zwischengeschaltet
sein.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Einrichtung 9 zur Herstellung von mit Faserbändern
16, Fäden oder dergl. armierten Rohren aus härtbaren Massen, wie Kunststoff, Kunstharz
oder dergl. Fig. 2 zeigt eine Drehmoment-Kennlinie.
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Die dargestellte Einrichtung 9 weist einen auf zwei stationären Führungsstangen
10 geradegeführt gelagerten Schlitten 11 auf, der mittels einer mit einem am Schlitten
11 fest angeordneten Muttergewinde kämmenden Gewindespindel 12 in Richtung des Doppelpfeiles
A hin-und herbewegbar ist. Diese Gewindespindel 12 ist zum Bewegen des Schlittens
11 durch einen Getriebemotor 13 mit konstanter, vorzugsweise einstellbarer Drehzahl
im Links- und Rechtslauf eintreibbar. Auf dem Schlitten 11 ist ein Träger 14 für
eine Faserbandspule 15 angeordnet, welche eine Vorratsspule bildet, auf der Faserband
16 aufgewunden ist.
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Auf dem Schlitten 11 ist ferner ein das Faserband 16 von der Spule
15 abziehendes Faserband-Lieferwerk 17 angeordnet, das zwei von einem Getriebemotor
19 mit gleichgroßen Drehzahlen angetrlebene , gleiche Durchmesser aufweisende Galetten
18 aufweist, die vom Faserband gemeinsam mehrfach zu dessen schlupffreiem, reibungsschlüssigen
Transport umschlungen sind. Das F-aserband 16 läuft anschließend über den Umfang
einer rotierenden Tränkwalze 20, die in ein Tränkbad 21, das mit härtbarer Masse
gefüllt ist, eintaucht und das Faserband 16 mit dieser härtbaren Masse tränkt. Anschließend
läuft das Faserband 16 durch einen ebenfalls am Schlitten 11 angeordneten Fadenführer
22 hindurch zu einer Wickelwelle 23 und wird auf diese in einer oder mehreren Windungsschichten
zu einer rohrförmigen Wicklung 24 aufgewunden, die infolge der Tränkung der Fasern
mit der härtbaren Masse nach Aushärten dieser Masse, bei der es sich beispielsweise
um Kunststoff oder Kunstharz handeln kann, ein hartes Rohr, das mittels des Faserbandes
16 armiert ist und sehr hohe Festigkeit hat, ergibt.Die Wickelwelle 23 ist so präpariert,
daß das Rohr an ihr nicht festklebt und nach Aushärtung von ihr abgezogen werden
kann.
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Das Faserband 16 kann an der Tränkwalze 20 vorzugsweise außerhalb
des Tränkbades 21 zur Anlage kommen, gegebenenfalls aber durch diese auch in das
Tränkbad 21 eingetaucht werden. Anstatt das Faserband mit der härtbaren Masse zu
tränken, kann in manchen Fällen auch Beschichtung mit härtbarer Masse vorgesehen
sein. Die dargestellte Einrichtung kann in manchen Fällen auch ohne das Tränkbad
21 betrieben werden.
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Die beiden Enden der Wickelwelle 23 sind mittels Spannfuttern 26,
26' gehalten. An den Spannfuttern 26, 26' sind Wellenzapfen 27, 28 fest angeordnet,
die in Lagern 29 drehgelagert sind. Die Wickelwelle 23 ist koaxial zu den miteinander
fluchtenden Längsachsen der Wellenzapfen 27, 28 eingespannt.
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Der rechtsseitige Wellenzapfen 28 endet frei und der linksseitige
We1.lenzapfen 27 stellt gleichzeitig die Rotorwelle des Rotors eines Drehfeldmagneten
30 dar, an dessen Ständergehäuse 35 die Läuferwelle 31 eines Hauptmotors 32 koaxial
zum Zapfen 27 und damit zur Wickelwelle 23 drehfest angeordnet ist. Eskann auch
vorgesehen sein, zwischen den Drehfeldmagneten 30 und das Spannfutter 26 ein Zahnradgetriebe
zwischenzuschalten, desgleichen zwischen den Hauptmotor 32 und den Drehfeldmagneten
30..
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Der Hauptmotor 32 kann beispielsweise ein Gleichstrommotor verstellbarer
Drehzahl sein. Auf der Welle 31 ist ferner ein Schleifringpaket 33, bestehend aus
drei Schleifringen, fest angeordnet, welche Schleifringe selbstverständlich gegenüber
der Welle 31 isoliert sind und an jedem Schleifring liegt je eine der Übertragung
von elektrischem Strom dienende Bürste an, die gemei-nsam mit 34 bezeichnet sind.
Diese Bürsten 34 leiten den von einer Spannungsquelle 36 mit verstellbarer, konstanter
Speisespannung gelieferten Drehstrom über die Schleifringe und nicht dargestellte
Verbindungsleitungen zum Drehfeldmagneten 30. Die Ausgangsspannung der Spannungsquelle
36 ist mittels eines Stellgliedes 37 stetig verstellbar zur Verstellung des vom
Drehfeldmagneten 30 entwickelten Drehmomentes.
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Die Eigendrehzahl dieses brehfeldmaqneten 30 kann beispielsweise maximal
500 U/tin oder 750 U/min betragen. Dieser Drehfeldmågnet gibt über den größten Teil
seines Drehzahlbereiches ein ungefähr konstantes Drehmoment ab, das durch Verstellung
der Speisespannung mittels des Stellgliedes 37 verstellbar ist, wobei sich das Drehmoment
ungefähr mit dem Quadrat der Speisespannung ändert.
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In Fig. 2 ist an einem Beispiel eine Drehmomentkennlinie eines Drehfeldmagneten
30, wie er für die Erfindung verwendet werden kann, gezeigt. Es handelt sich hier
um dieDrch-momentkennlinie eines von Firma Eberhard Bauer GmbH & Co hergestcllten
Drehfeldmagneten der Ausführung DW. In diesem Diagramm bedeuten
n
= Drehzahl, n = Synchrondrehzahl, M = Drehmoment, sy MA = Anzugsmoment. Der Drehfeldmagnet
30 kann in dem Arbeitsbereich B, in welchem er ein ungefähr konstantes Drehmoment
entwickelt, arbeiten, und der im Falle des Diagrammes nach Fig. 2 von -n sy (= -1002)
bis ca. zur Drehzahl +0,8 n (= +80wo) sy reicht, wo er wie eine Feder mit ungefähr
konstanter Federkraft und unendlich großem Federweg wirkt. Es ist bevorzugt vorgesehen,
daß die Drehzahl der Hauptantriebsmotorwelle 31 etwas kleiner als die der Welle
27 ist. Der Drehfeldmagnet 30 kann bei Einengung des Drehzahlbereiches die Wickelwelle
23 mit praktisch genau konstantem Drehmoment antreiben. Der Drehfeldmagnet 30 kann
im generatorischen und im motorischen Betrieb arbeiten, da aus dem Diagramm nach
Fig. 2 zu ersehen ist, daß das bei gegebener Speisespannung vorliegende Drehmoment
auch im generatorischen Betrieb des Drehfeldmagneten 30 ungefähr konstant bleibt,
so daß man gegebenenfalls auch vorsehen kann, daß die Drehzahl der Welle 27 kleiner
ist oder wird als die Drehzahl, mit der der Hauptmotor 32 den Drehfeldmagneten 30
antreibt.
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Solange der Aufwindedurchmesser des Faser bandes konstant ist, was
jedenfalls während des Aufwindens einer einzelnen Windungsschicht vorliegt, bleibt
auch die Aufwindespannung des Faserbandes 16 infolge des dabei praktisch konstant
bleibenden Drehmomentes des Drehfeldmagneten praktisch konstant. Es ist ohne weiteres
erreichbar, daß die
Aufwindespannung pro Windungsschicht um weniger
als - 3% schwankt. Im Falle von Kohlenstoffasern des Bandes 16 können so Beschädigungen
der empfindlichen Kohlenstoffasern beim Aufwinden sicher vermieden werden. Die ungefähr
konstante Aufwindespannung pro Windungsschicht kann auch bei anderen Faserbändern
oder dergl. sich ebenfalls günstig auswirken.
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Wenn es erwünscht ist, die Aufwindespannung auch bei sich änderndem
Aufwindedurchmesser ständig auf demselben ungefähr konst-anten Wert zu halten, kann
dies selbsttätig beispielsweise dadurch erfolgen, indem der Aufwindedurohmesser
mit einer strichpunktiert angedeuteten Fühlvorrichtung 40, beispielsweise einer
photooptischen oder mechanischen Fühlvorrichtung fortlaufend gefühlt und der Fühler£
in einem Gerät 41 in ein Stellsignal für das Stellglied 37 der Spannung-squelle
36 derart umgewandelt wird, daß die Aufwindespannng des Faserbandes 16 ständig ungefähr
konstant gehalten wird. Zu demselben Zweck kann man beispielsweise auch vorsehen,
die Aufwindespannung mittels eines Faden- oder Faserbandspannungsfühlers fortlaufend
zu fühlen und die Speisespannung der Spannungsquelle 36 mittels des Stellgliedes
37 selbsttätig in Abhangigkeit der gefühlten Aufwindespannung ungefähr konstant
zu halten.
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Man kann auch vorsehen, die Aufwindespannung zu regeln, indem sie
wiederum gefühlt wird, jedoch der Fühlwert keiner Steuervorrichtung, sondern einem
Regler eingegeben wird,in dem die Regelabweichung
zu dem jeweils
eingestellten Sollwert der Aufwindespannung ermittelt und die Speisespannung des
Drehfeldmagneten 30 mittels des Stellgliedes 37 selbsttätig fortlaufend im Sinne
einer Verkleinerung der Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert der Aufwindespannung
verstellt wird.
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Wie bereits erwähnt und wie man aus dem Diagramm nach Fig. 2 erkennt,
kann man die Konstanz des vom Drehfeldmagneten 30 entwickelten Drehmomentes in besonders
kleinen Schwankungsgrenzen halten, indem man den Arbeitsbereich B nicht voll ausnutzt,
sondern nur einen Teilbereich, der besonders gute Drehmomentkonstanz aufweist, beispielsweise
den Bereich B'.