-
S£hrittgetriebe Die Erfindung betrifft ein Schrittgetriebe, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß ein Antrieb durch zwei oder mehrere parallel geschaltete
Aggregate in Schritte zerlegt wird und dadurch, daß diese Schritte, mittels einer
Steuervorrichtung lückenlos aneinandergereiht, den Abtrieb ergeben.
-
Das Schrittgetriebe dient dem gleichförmigen Antrieb ß
Ü - a bzw. x = Ü - a einer Welle (Drehwinkel
oder eines Vorschubes x von einem treibenden Element, beispielsweise von
einer Antriebswelle (Drehwinkel a) aus, wobei das Übersetzungsverhältnis
ü verstellt werden kann. Der Übersetzungsbereich des Schrittgetriebes enthält,
von einem positiven Höchstwert von Ü angefangen, sämtliche'Übersetzungsverhältnisse
bis zu einem negativr-n Höchstwert von ii. Das Übersetzungsverhältnis
Null (stillstehender Abtrieb) ist in diesem Bereich enthalten. Das Schrittgetriebe
ist also zugleich ein Wendegetriebe. Ferner ist der an sich stufenlose Übersetzungsbereich
in eine Folge strenger Übersetzungsstufen einteilbar.
-
Fig. I a zeigt das Schema eines ausgeführten Schrittgetriebes mit
geradem Abtrieb. Der Antrieb erfolgt bei i. Mit der Antriebswelle fest verbunden
sind die Nutscheiben:z und 3 mit den Nuten 4 und 5. Die 2#uten sind
derart geschnitten, daß die Stangen 6 und 7
die Schrittbewegung
8 und 9 ausführen (Fig. lb). Man sieht, die Schrittbewegung setzt
sich zusammen aus einem linear mit dem Antrieb laufenden Vorschritt V und einem
an sich beliebig geformten Rückschritt R. An den Stangen 6 bzw.
7 sind die um io bzw. ii drehbaren Schwingen 12, bzw. 13 angebracht. Das
Verdrehen dieser Schwingen und damit das Verstellen der abtriebseitigen Schrittweiten
erfolgt über die Kurbelarme 14 und 15, die in den Schlitzen des
SchiebQrs
16 gleiten, am Handgriff 17. Das eingestellte Übers-etzungsverhältnis wird an
-der Skala 18 angezeigt. Die Abnehmer ig bzw. 2o teilen den Getriebestangen
21 bzw. 22 die Schrittbewegung in der Größe und Richtung mit, die bei 18 eingestellt
worden ist. Nun sorgt eine besondere Steuervorrichtung dafür, daß diese Schritte
richtig auf das Abtriebselement, also - hier auf den Schlitten
26, übertragen werden. Dazu treibt der auf der Antriebsachse sitzende Exzenter'28
die Wippe 29 an, welche bei 30 vom Federbolze.n 31 -nach abwärts gedrückt
wird. Im Fall der eingezeichneten Exzenterstellung wird dieser Druck auf den Fuß
25 über das Gestänge 33 übertragen. Fuß 25 wird damit auf
26 gepreßt, während gleichzeitig der Fuß 24 über das Gestänge 32 vom
Abtriebsschlitten #6 sich entfernt hat. Der Exzenter ist montagemäßig in eine solche
Lage zu bringen, daß der Fußwechsel, welcher erfolgt, wenn die Wippe horizontal
steht, mit den Diagrammabszissen 34 (Fig. Ib) zusammenfällt.
-
In dieser Ausführung arbeitet das Schrittgetricbe (Fig.
1) auf Übersetzungsverhältnisse ii, welche einem ganzzabligen Vielfachen
der Zahnteliung der auf dem Schlitten ?,6 angebrachten Kerbverzahnung entsprechen,-
und man darf bei 18 selbstverständlich nur diese Übersetzungsverhältnisse, einstellen.
Es empfiehlt sich, in diesem Fall den Handgriff 17 mit einer der üb-
lichen
Rastvorrichtungen auszustatten.
-
Das Schrittgetriebe (Fig. Ia) wird zum Schrittgetriebe mit stufenlos
veränderlichem Übersetzungsverhältnis ii, falls man die Verzahnungen 24,
225 auf 26 durch Friktionen ersetzt. Wie man solche Friktionen beim
Schrittgetriebe in einfachster Weise ausgestalten kann, ist beim Schrittgetriebe
nach Fig. Ic beschrieben.
-
Dadurch, daß die Entscheidung, ob gestuft oder ungestuft veränderliches
Übersetzungsverhältnis, nur die Fußform betrifft, kann jedes Schrittgetriebe in
beiden Ausführungsformen angefertigt werden. Fig. I c zeigt den zweckdienlich veränderten
Schlitten 9,6 und den Fuß 25. Der Schlitten 26 enthält die
Verzahnung 37, sie findet sich wieder auf 26. Außerdem enthält
26 Friktionsnutell 38. Die entsprechenden Friktionsprismen
39 sind Bestandteil des Fußes 25. Der verzahnte Fußteil 40 kann mittels
des Exzentergriffes 41 nach Belieben aus- bzw. eingerückt werden. Ist 40, wie abgebildet,
eingerückt, arbeitet das Getriebe gestuft, ist 4o ausgerückt, arbeitet das Getriebe
ungestuft. Es ist noch zu erwähnen, daß mittels des Handhebels 42 beide Füße abgehoben
werden können (auskuppeln).
-
Das Schrittgetriebemuster nach Fig. Ia ließe sich ohne nennenswerte
Veränderungen auf den Fall über#-tragen, daß der Abtrieb auf eine Welle statt auf
einen Vorschub erfolgt. jedoch eignet sich dieser Fall gut zur Demonstration, daß
das Schrittgetriebe keineswegs an die Verwendung eines bestimmten schritterzeugenden
Aggregates gebunden ist. Zwischen den Schrittaggregaten in Fig. Ia bzw. Ila besteht
ein prinzipieller Unterschied: Die Schrittkurve 8 und 9
im Fall der
Fig. I a ist exakt, abgesehen von den Herstellungsungenauigkeiten ist die Beziehung
ü - a für den Arbeitsbereich Y stets exakt erfüllt. Nun ist es mit den Mitteln
der höheren Funktionanalyse möglich, Hebelgelenkanordnungen zu konstruieren, die
die Schrittbewegung zwar nicht exakt realisieren, deren Fehler aber kleiner sind
als die Herstellungstoleranzen und infolgddessen nicht stören. Die Zulassung eines
solchen unwirksamen Fehlers bedeutet unter Umständen eine starke Vereinfachung der
technischen Ausführung. So bemerkt man, (laß in Fig. II a zur Schritterzeugung eine
Kurbel 44, eine gerade Gleitbahn 45 und ein Kugelgelenk bereits genügen.
-
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schrittaggregates (Fig. II a)
denke man sich zunächst den Kugelstift 51: entfernt und 46 in 47 festgeklemmt
(in vertikaler Lage). Alsdann versetzt die bei 43 angetriebene Kurbel 44 den Hebel
47 in horizontale Schwingung, und der abtriebseitige Fuß 55 macht die gewünschte
Hinundherbewegung. Um letztere verändern zu können, ist die Schiebebuchse 48 auf
dem Schlitten 49 angeordnet. Verschiebt man diesen Schlitten gegen das Gehäuse 5o,
ändern sich die Ab-
stände a und b, und der Fuß 55 macht die
Bewegung
Soweit handelt es sich um einen gewöhnlichen Kurbelantrieb K. Die Kurve ß (Fig.
II c) ist das Schaubild für K. Dieser Kurbelantrieb genügt aber den Forderungen,
welche man an ein Schrittaggregat stellen muß, bei weitem nicht. Bei i'-Toleranz
für ß
ist K nur im Bereich 1 a 1 < io' genügend linear,
d. h. man würde achtzehn Aggregate K für eine volle Umdrehung der Antriebswelle,
also achtzehn Aggregate K für das Schrittgetriebe nach Fig. IIb benötigen. Das sind
zu viele.
-
Man schreitet deshalb zum Ausgleich. Dieser sieht praktisch folgendermaßen
aus. An der Gleitbahn 45 ist der Zapfen 46 befestigt. Dieser Zapfen 46 ist in dem
Hebel 47, und zwar um dessen Längsachse drehbar, gelagert. Ferner ist die Gleitbahn
45 jetzt schwenkbar im Kugelstift 51 gelagert. Dieser Kugelstift ist im wesentlichen
starr befestigt am Bügel 52.
Der Bügel 52 ist vertikal verschiebbar
und wird vom Hebel 54 folgendermaßen gesteuert: Die Schale 58 des Kugelgelenkes
53-58 ist mittels des Trägers 57 starr am Fuß 55 befestigt.
Das Gelenkzentrum bewegt sich infolgedessen bei jeder beliebigen Auslenkung
ß auf einem Kreis mit dem Radius B. Die Horizontalkomponente dieser Bewegung
ist B - sin ß, die Vertikalkomponente ist B - cos ß.
Der horizontal gegen das Gehäuse schwenkbare Hebel 47 nimmt die Horizontalkomponente
B - sin ß auf. Im Hebel 47 ist der Hebel 54 vertikal schwenkbar gelagert.
Er entnimmt der Bewegung des Kugelgelenkes 58-53 dessen Vertikalkomponente
B - cos ß zum Zweck des Vertikalantriebes des Bügels 52, und zwar
sind die Hebelarme c bzw. d des Hebels 54 so zu bemessen, daß der Vertikalkomponente
B - cos ß des Gelenkes 58-53 die Vertikalbewegung ?,
A - cos ß des BÜgels 5-, entspricht, es muß also c
: d = 9, A: B sein. Der Kugelstift 5 1 ist so
gesetzt, daß er für ß = o von der Achse 43 den Abstand 2 A hat. Dan#i
ist dieser Abstand bei beliebigem P gleich 2 A - cos
ß. Damit aber hat man den
gewünschten Ausgleich erzielt,
denn zwischen dem Antriebswinkela und dem Abtriebswinkelß der Anordnung Fig. Ha
besteht jetzt die Gleichung
An die Stelle der Kurve ß tritt die Kurve fla (in Fig. Ilc gezeichnet für
ü = 0,25). K, eignet sich bis zu = i. Soll für alle
Übersetzungsverhältnisse 1,ii 1 < i der Abtriebswinkelfehler nicht
größer sein als i', dann ist Ka im Antriebswinkelbereich 1 a 1 :5
3o' zu verwenden. Benötigt man nur Übersetzungsverhältnisse 1 Ü
1 < 0,4, dann ist der nutzbare Antriebswinkelberuich sogar
1 a 1 < 5o'. Man kommt also anstatt mit achtzehn beim nicht ausgeglichenen
Kurbelaggregat mit sechs bzw. mit nur vier Antriebsa, regaten nach Fig. II a aus.
Fig. II c zeigt außerdem (f u-r ii, = 0,25) die den Abtriebswinkelgeschwindigktiten
entsprechenden Differentialquoticnten dßlda für den nicht ausgeglichenen, dfla/da
für den ausgeglichenen Kurbelantrieb.
-
Vier Schrittaggregate nach Fig. IIa sind in Fig. IIb zu einem Schrittgetriebe
zusammengebaut. Die kreisförmige Anordnung dabei ist an sich bekannt, z. B. von
den Schaltwerkgetrieben. Die Schrittaggregate sind in Fig. IIb nicht voll ausgezeichnet,
insbesondere ist die Hebelanordnung (Fig. Ha) nur durch die gestrichelte Linie 47
angedeutet. Der gemeinsame Antrieb der vier Kurbeln erfolgt über das Zahnradvorgelege
6o-6i von der Hauptantriebswelle 59 aus. 62 ist die Abtriebswelle.
Die Übersetzungsverstellung erfolgt durch Verschieben des Schlittens49 in der Gehäusellut
50. Der Schlitten 49 ist für alle vier Aggregate gemeinsam da. Die Steuerung
der Füße 55
wird von der Hauptantriebswelle 59 aus vorgenommen mittels
der Kreuzgelenkstange 63. Die eigentliche Steuereinrichtung ist folgendermaßen
gebaut: Auf den in eine zentrische Bohrung der Abtriebswelle 62 eingAassenen,
auf Biegung beanspruchbaren Stahldorn 64 ist ein Wälzlager 65 aufgezogen,
auf dieses der Exzenterring 66 und auf letzteren das Wälzlager
67.
Zwischen diesem und der Abtriebskapsel 68 befindet sich, in der
Nut 71 leicht geführt, der Fuß 55. Der Exzenterring 66 ist
montagemäßig so gegen die Hauptantriebswelle eingestellt worden, daß er über das
Wälzlager 67 jeweils denjenigen Fuß 55 gegen die Abtriebskapsel preßt,
der sich gerade im Vorschritt befindet.
-
In Fig. IIb ist auf die stufenlose Ausführung des Schrittgetriebes
Wert gelegt worden. Wird der Gelenkträger 57 genügend lang gemacht, dann
tritt zwischen 55 und 68 Selbstkleinmung ein, man hat damit den bei
stufenlosen Getrieben häufig angestrebten Selbstklemmungsfall auf einfachste Weise
verwirklicht. Selbstverständlich läßt sich mit demselb,1-n Mittel Selbstklcmmung
auch beim Schrittgetrieb-, (Fig. Ia) verwirklichen, und umgekehrt ist l(-icht das
Schrittgetriebe (Fig. Ilb) durch Kerbverzahnung von 55 auf 68 als
streng gestuftes Schritt-,gi-triebe herstellbar, was bei Fig. I ausführlich beschrkben
worden ist. Hervorzuheben ist, daß durch die besondere Konstruktion der Steuervorrichtung
bei Fig. IIb der Anpreßdruck vom Lager ferngehalten wird. Bei der praktischen Ausführung
eines Getriebes nach Fig. IIb ist darauf zu achten, daß im Rücklaufbereich des
Ag-
gregates nach Fig. IIa 45" < a < 3150, der Abstand
2 A - cos ß zwischen 43 und 51 ungefähr gleich A werden
kann. Das ist gleichbedeutend mit einer Kollision des Kugelstiftes 51 mit der Kurbelkugel
44a, und man muß zur Vermeidung einer solchen Kollision eine besondere Vorkehrung
treffen, beispielsweise folgende: Man befestigt den Kugelstift 51 nicht starr am
Bügel 5:z, sondern macht ihn nach unten auslenkbar, wie Fig. IIa zeigt. Während
des Arbeitsbereiches, 315' < a:5 45', wird der Kugelstift
51 von der Blattfeder 69 in der eingezeichneten Lage festgehalten.
Im kollisionsgefährdeten Teil des Rücklaufbereiches, das ist etwa der Bereich 140'
< a < 220', wird der Kugelstift 51 vermittels des Nockens 7o
so weit nach unten ausgelenkt, daß 44a und 51 nicht kollidieren können. Für Getriebe
mit 1 Ümax 1 < 0,33 erübrigt sich diese besondere Vorkehrung.
Es ist dann der Kugelstift 51 starr am Bügel 52 zu befestigen.
-
Das Schrittgetriebe ist in seinen wesentlichen Merkmalen an Hand der
beiden Beispiele Fig. I und II erläutert worden. Es unterscheidet sich von allen
bis dahin.bekannten Getrieben in folgenden wichtigen Punkten: Das gestufte Schrittgetriebe
ersetzt Zahnradsätze. Diesen gegenüber hat es den Vorteil einfachster Bedienung,
selbst bei großen Übersetzungsbereichen. So besitzt ein nach Fig. Ia für einen bestimmten
Verwendungszweck ausgeführtes Schrittgetriebe vierzig Übersetzungen vorwärts, vierzig
Übersetzungen rückwärts und die Übersetzung Null (stillstehender Abtrieb), eine
Anzahl, die sich leicht erhöhen, ja vervielfachen läßt. Das Getriebe ist in ein
Gehäuse eingeschlossen. Die Übersetzungsverstellung geschieht am herausgeführten
Handgriff 17. Auswechseln von Zahnrädern wird unnötig. Ein weiterer Vorteil des
Schrittgetriebes ist der, daß man bei der Übersetzungsverstellung keine Hemmung
vorfindet (außerhalb der Schrittwechselstellung), während bekanntlich bei jedem
Zahnradeingriffswechsel zuerst Zahn auf Lücke eingespielt werden muß. Festigkeitsmäßig
ist das Schrittgetriebe nach Fig. I a sehr günstig, da stets alle Zähne des Fußes
greifen, und zwar jeder auf seiner vollen Flankenfläche, nicht wie bei Zahnrädern
nur auf einer Flankenlinie. Insbesondere tritt im Prinzip des Schrittgetriebes keine
Gleitreibung auf. Alle in den Figuren angegebenen Gleitstellen lassen sich durch
Wälzstellen ersetzen.
-
Zum Zweck des Antriebes einer Welle bei stufenlosem Übersetzungsverhältnis
dienen bisher drei Gruppen von stufenlos regelbaren, mechanischen Getrieben: die
Reibradgetriebe, die Riementriebe und die Schaltwerkgetriebe. Beim Reibrddgetriebe
geht die Kraft vom Antrieb zum Abtrieb über eine oder mehrere Friktionen. Von der
Zuverlässigkeit dieser Übertragungsstellen hängt Wirkungsgrad und Lebensdauer dieser
Getriebe ab. Von ihnen erreicht allein die Konstruktion Planrad-Schieberad im Idealfall
die Übersetzungsbereiche des Schrittgetriebes. Dieser Idealfall läßt sich jedoch
nie verwirklichen, da das
keibradgetriebe immer mit Gleitreibung
arbeitet. Dieses Gleiten unter oft hoher Pressung ist bei allen Reibradgetrieben
die Ursache mehr oder weniger schnellen Verschleißes. Dieser Nachteil ist beiin
-Schrittgetriebe im ganzen Übersetzungsbereich vermieden. Die Füße55 liegen mit
ihrer vollen Friktionsfläche auf dem Abtrieb 68, so daß eine abnonne Flächenpressung
schon nicht auftritt. Nun tritt aber auch kein Gleiten auf. Während der Arbeitsphase
führt der einzelne Fuß 55 keinerlei Relativbewegung zum Abtrieb
68 aus. Die Gefahrenstelle der Reibradgetriebe, Gleiten unter hoher Pressung
ist doppelt vermieden, insofern sich die Pressung auf die ganze Fußfläche verteilt
und ein Gleiten überhaupt nicht auftritt.
-
Die veränderlichen Riementriebe haben gegenüber dem Schrittgetriebe
den Nachteil, daß ihr Übersetzungsbereich die Nullstellung und die negativen Übersetzungen
nicht enthält. Erst durch Zusammenbau derselben mit einem Differentialgetriebe kann
man die Übersetzungsbereiche eines Schrittgetriebes erreichen, aber unter dem Nachteil,
daß zur wirklichen Ausnutzung der langsamen Abtriebsgeschwindigkeiten äußerst schwere
Konstruktionen nötig sind; man vergleiche in dieser Hinsicht besonders die sehr
günstigen Festigkeitsverhältnisse beim Schrittgetriebe nach Fig. IIb im Fall a #
o.
-
Die Getriebeschaltwerke benutzen hin und her gehende Bewegungen ähnlich
unserer Schrittbewegung und übertragen diese mittels Freilaufeinrichtungen auf den
gemein - samen Abtrieb. Die Schaltwerkgetriebe haben infolgedessen keine
negativen Übersetzungsverhältnisse. Ferner lassen sie sich im Gegensatz zum Schrittgetriebe
überall dort nicht verwenden, wo der Freilauf stört. Zum Beispiel kann das Schaltwerkgetriebe
den Nortonkasten einer Drehbank nicht ersetzen, -auch kann es in Kraftfahrzeugen
nicht verwendet werden. Insgesamt kann man etwa sagen, das Schrittgetriebe verhält
sich zum Schaltwerkgetriebe wie ein Transformator zu einem Gleichrichter.
-
Es ist keineswegs so, daß ein ideales stufenloses Getriebe in allen
Fällen ein streng gestuftes Getriebe zu ersetzen imstande ist. Überall dort, wo
nach einer gegebenen Anzahl von Antriebsumdrehungen andere Maschinenteil.e in eine
bestimmte Lage zurückgekehrt sein müssen, also strenge Periodizität gefordert wird,
benötigt man ein streng gestuftes Getriebe. ja, es gibt Fälle der Praxis, wo beide
Antriebsarten zur wahlweisen Benutzung vorgesehen sein müssen. Bei Verwendung der
bisher bekannten Getriebe ist man in solchen Fällen genötigt, zwei Getriebe einzubauen,
nämlich beispielsweise ein Reibradgetriebe und ein Zahnradwechselgetriebe, samt
den nötigen Kupplungen für das wahlweise Ausrücken des einen und Einrücken des anderen
Getriebes. Erst bei Verwendung des Schrittgetriebes kommt man mit einem einzigen
Getriebe aus, welches man nach den Anweisungen der Fig. Ic für beide Abtriebsarten
umschaltbar ausbildet (vgl. das Umlegen des Exzentergriffes 41, Fig. I c).
-
Die Getriebekennlinie des Schrittgetriebes richtet sich nach dem jeweils
verwendeten Schrittaggregat. ,So hat z. B. jedes Schrittgetriebe mit einem Schrittaggregat
nach Fig. I a eine gerade, jedes Schrittgetriebe mit einem Schrittaggregat
nach Fig. Ha eine mit wachsendem ü ansteigende Kennlinie.
-
Das Schrittgetriebe wird im Prinzip nicht verändert, wenn man Verfeinerungen
oder Ergänzungen anbringt, welche im Einzelfall von konstruktivem oder handhabungsmäßigem
Vorteil *sind. So wird man beispielsweise in einer Anlage, welche mehrere Schrittgetriebe
nach Fig. I enthält, nur eiii Nutenscheibenpaar bauen und von diesem mittels der
nötigen Gestängezahl die Schrittbewegung für alle Getriebe entnehmen. In solchen
Fällen, aber aucl-1 beim einzelnen Schrittgetriebe kann es nützlich sein, die Steuerbewegung
nicht mit den Stangen 32 und 33, sondern auf hydraulischem oder elektrischem
Wege den Füßen zuzuleiten. Auch das Anbringen von Auswuchtinassen ist bei schneller
laufenden Schrittgetrieben eine Selbstverständlichkeit. Für die Handhabung des Schrittgetriebes
ist es unter Umständen vorteilhaft, wenn man die Steuervorrichtung so wählt, daß
die Übersetzungsverstellung des einzelnen Aggregates nur je-
weils in dessen
Rückschritt erfolgt. Die Übersetzungsverstellung erfolgt dann praktisch leistungslos,
was willkommen ist bei Anlagen, bei welchen die Übersetzungsverstellung nicht von
Hand, sondern von irgendwelchen selbsttätigen Steuereinrichtungen aus geschieht.
Diese Steuereinrichtung kann dann entsprechend leicht gehalten werden.