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Lenkergetriebe mit beschleunigtem Rücklauf für horizontale und vertikale
Hobel- bzw. Stoßmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Getriebe
zur Erzeugung einer hin und her gehenden Bewegung mit beschleunigtem Rücklauf für
horizontale und vertikale Hobel- bzw. Stoßmaschinen, wozu man bisher häufig das
bekannteKulissengetriebe mit schwingender bzw. kreisender Kurbelschleife verwendet
hat. Das Kulissengetriebe hat verschiedene Nachteile, insbesondere ist die Reibungsarbeit
groß, da der Gleitstein mit starker Pressung an der Kulissenwange anliegt und mit
großer Geschwindigkeit beträchtliche Wege zurücklegt. Ferner erfolgt die Abnutzung
der Kulissenwange nicht gleichmäßig, da die Gleitlänge des Steines bei wechselnder
Einstellung verschieden ist. Eine Reparatur der ausgeschlagenen Kulisse ist schwer
durchführbar und kostspielig. Infolge der notwendigen Kulissenaussparung werden
die Kulissen verhältnismäßig schwer ausgeführt und sind daher große schwingende
Massen vorhanden, die keine größere Hubzahl zulassen.
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Man hat für Werkzeugmaschinen auch verschiedene Kurbelgetriebe vorgeschlagen,
welche jedoch gleichfalls Nachteile besitzen. Insbesondere sind die vorgeschlagenen
Bauarten derart, daß der Stößelschlitten während seines Arbeitshubes zeitweise auf
die Schlittenbahn angepreßt und zeitweise von ihr abgehoben wird, wodurch die Güte
des bearbeiteten Werkstückes wie auch die Maschinen selbst stark leiden. Bekannte
Bauarten trachten einen symmetrischen Geschwindigkeitsverlauf
während-
des Hin- und Rücklaufes zu erreichen, was für Hobel- und Stoßmaschinen keinesfalls
die beste Lösung darstellt. Außerdem benötigen die vorgeschlagenen Kurbelgetriebe
sehr viel Raum oder haben eine verhältnismäßig große Anzahl von Übertragungselementen,
wodurch die Abmessungen, das Gewicht und der Preis der Maschinen unnötigerweise
vergrößert werden.
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Es wurde weiter auch bereits vorgeschlagen, zum Antrieb des Stößels
bei Stoßmaschinen einen schwingenden Winkelhebel zu verwenden, der durch einen Kurbelzapfen
über einen Lenker angetrieben wird, wobei der Kurbelkreismittelpunkt außerhalb oder
vorteilhafter innerhalb des Schwingbogens -des angetriebenen Hebelarmes liegt und
die Schwingbogensehne des Zapfens des antreibenden Armes parallel oder angenähert
parallel zur Bewegungsrichtung des Stößels angeordnet ist, diesen während des-Arbeitshubes
stets zur Gleitbahn ziehend. Bei richtiger Wahl der einzelnen Übertragungselemente
wird hierbei eine ungleichmäßige Bewegung des Winkelhebels erreicht, die in einer
Richtung verzögert und, mit entsprechend größerer Kraftentwicklung, in der- anderen
Richtung jedoch stark beschleunigt erfolgt. Sehr wichtig ist weiter, daß das Geschwindigkeitsdiagramm
nicht symmetrisch ist, wie dies z. B. bei der schwingenden Kurbelschleife der Fäll
ist, sondern verzerrt ist. Dies ist ein Vorteil, da bei Hobelmaschinen der Messerhalter
gegen Ende des Hubes in. großer Länge frei herauskragt und in dieser Momentlage
das Messer nicht so sicher geführt ist wie zu Beginn des Arbeitshubes: Die übliche
Bildung von Rattermarken am Arbeitsstücke, die eine: Folge des Vibrierens bei herauskragendem
Stößel sind, wird daher stark unterdrückt. Hieraus folgt weiter, daß die Drehrichtung
des Kurbelzapfens bestimmt ist. Er muß sich nämlich in dem Sinne drehen, daß die
Geschwindigkeit des Stößels mit zunehmender Auskrägüng abnimmt. Durch diesen unsynunetrischen
und verzerrten Verlauf der Geschwindigkeit während eines Arbeitsspieles werden auch
die Überlagerungen von Schwingungen und das Entstehen von Vibrierungen bzw. Resonanzerscheinungen
erfolgreich unterdrückt. Bei Horizontalstoßmaschinen erhält man insbesondere die
günstigsten Bauverhältnisse der gesamten Maschine, wenn sich der Kurbelkreismittelpunkt
auf der Symmetrale des Schwingbogens des Zapfens des treibenden Hebelarmes befindet.
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Die Erfindung hat sich die weitere Ausbildung und Verbesserung derartiger
Lenkergetriebe zur Aufgabe gemacht, um alle Nachteile der Kulissengetriebe und der
bisher, noch bekanntgewordenen Ausführungen von Lenkergetrieben zu vermeiden und
die günstigste Arbeitsweise solcher Getriebe sicherzustellen. Dies wird, wie später
näher erklärt ist, erreicht, wenn die Lenkerlä-nge#in bestimmten Verhältnissen zum.
Halbmesser des Kurbelkreises und der Entfernung des Kurbelkreises vom Schwinghebelfestpunkt
steht, wie dies nachstehend beschrieben und im Patentanspruch gekennzeichnet ist.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt.
Die Abb. i, 2, 4, 5 und 6 zeigen schematische Darstellungen der Lenkergetriebe gemäß
der Erfindung, Abb. 3 ein Geschwindigkeitsdiagramm und die Abb.7 ein Ausführungsbeispiel
einer Stoßmaschine mit dem erfindungsgemäßen Lenkergetriebe.
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Um den festgelagerten Kurbelkreismittelpunkt i kreist beim Getriebe
nach Abb. i der Kurbelzapfen 2, an welchem drehbar ein Lenker 3 befestigt ist, welcher
seinerseits mit dem Winkelhebel 4 mittels Zapfen 5 drehbar verbunden ist. Der Winkelhebel
4 ist um einen als festen Zapfen 6 ausgebildeten Festpunkt drehbar gelagert. Der
zweite Arm 4" des Winkelhebels treibt über den Zapfen 7 mittels einer Lasche oder
Pleuelstange 8 den Stößel g an. Bei einer Drehung des Kurbelzapfens 2 auf den Kreis
io im Sinne des Pfeiles 13 bewegt der Lenker 3 den Winkelhebel 4 mit seinem zweiten
Arm 4a derart, daß der Zapfen 5 - auf einem Kreisbogen ii-ii und der Zapfen 7 entsprechend
auf dem Kreisbogen 1-2-r2 zwischen 7' und 7" schwingt. Die Entfernung des Festpunktes
6 vom Kurbellzreis io ist mit H als Exzentrizität bezeichnet. Mit va ist die Geschwindigkeit
des Stößels im Arbeitshub, mit v1- im Rücklauf bezeichnet.
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Aus Abb.2 ist die Wirkungsweise des Lenkergetriebes ersichtlich. Es
sind beide Grenzschwinglagen des Winkelhebels 4 gezeichnet, und zwar sind sie durch
4' und 4" dargestellt. Diesen Lagen entsprechen die Punkte 2' und 2" des Kurbelzapfens,
welche den Totpunkten des Winkelhebels 4 entsprechen. Bei einer Umdrehung des Kurbelzapfens
auf dem Kreise io mit dem Halbmesser v in der Richtung des Pfeiles 13 schwingt der
Winkelhebel einmal hin und her. Bei Bewegung des Kurbelzapfens von 2' nach 2" bewegt
sich der Winkelhebel 4 von der Lage 4' in die Lage 4", und der Zapfen 7, an welchem
der Stößel g angelascht ist, bewegt sich gemäß der Abbildung nach links von 7' nach
7", die Lasche 8 von 8' nach 8", der Stößel g von g' nach g". Bei einer weiteren
Bewegung des Kurbelzapfens von 2" nach 2' bewegt sich der Winkelhebel zurück aus
der Lage 4" nach 4', und entsprechend bewegt sich der Stößel g wieder nach rechts.-
Da der Bogen 2'-2" bedeutend länger ist als der Bogen 2"-2', muß die Durchschnittsgeschwindigkeit
des Winkelhebels q. bei vorausgesetztergleichförmigerDrehungsgeschwindigkeit desKurbelzapfens
2 von q.' nach 4" bedeutend kleiner sein als von 4" nach 4'. Naturgemäß sind bei
-der kleineren Geschwindigkeit die Kräfte größer. Diese Bewegungsrichtung wird daher
für den Arbeitshub verwendet, die entgegengesetzte jedoch für den Rücklauf, der
beschleunigt erfolgt.
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Das Geschwindigkeitsdiagramm des Winkelhebels, z. B. des Zapfens 7,
ist in Abb. 3 dargestellt. Wenn mit 14 in der Richtung der Abszisse die rektifizierte
Bogenlänge 7'-7" des Zapfens 7 beziehungsweise die Bogenlänge 5'-5" des Zapfens
5 dargestellt ist, so geben die. Ordinaten die Geschwindigkeiten des Zapfens 7 beziehungsweise
des Zapfens 5 an. Die maximale Geschwindigkeit beim Arbeitshub beträgt vba, beim
Rücklauf v". Das Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten 99 = (v",: v61-)
hängt von der Wahl der beiden Totpunkte 2' und 2" des Kurbelzapfens 2 ab. Wählt
man bei gegebener Länge R des Hebels 4 für den Lenker 3 einen etwas kürzeren Lenker
mit
den beiden Totpunktlagen 33' und 33" (Abb. 2), so ergeben sich
zwei neue Totpunktlagen 22' und 22" des Kurbelzapfens 2, die den Rücklaufbogen 22"-22'
bedeutend verkleinern. Die entsprechenden Winkelhebellagen sind hierbei mit 44'
und 4q." bezeichnet. Man würde dadurch wohl eine größere Durchschnittsgeschwindigkeit
beim Rücklauf und eine etwas kleinere beim Vorlauf erzielen, wie dies in Abb. 3
gestrichelt dargestellt ist, jedoch ist die zeitliche Verteilung der Geschwindigkeiten
bedeutend ungünstiger und währt die maximale Rücklaufgeschwindigkeit kürzer als
im vorerwähnten Fall.
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Die günstigsten Arbeitsverhältnisse erhält man, wenn der Winkel von
ä' (Abb.2) zwischen dem Lenker 3' und dem Winkelhebel ¢' in der rechten Totpunktlage
gleich ist dem entsprechenden Winkel ä ' in der linken Totpunktlage (Abb. q). Wenn
die beiden Zugwinkel verschieden sind, was in Abb.2 für den verkürzten Lenker mit
D' und O," eintritt, ist wohl der Zugwinkel in einer Totpunktlage günstiger, das
ist größer, in der anderen ist er jedoch bedeutend ungünstiger, das ist bedeutend
kleiner, wodurch im Lenkerzapfen 5 bedeutend größere Belastungen auftreten: Durch
die Forderung ä = a" ist auch die
Unter der Annahme eines konstanten Kurbelkreishalbmessers v und einer bestimmten
Exzentrizität H
bei außenliegendem Winkelhebelfestpunkt 6 ist die Länge L
nur von der Länge R des Winkelhebels abhängig unter der Voraussetzung der vorher
erwähnten günstigen Arbeitsverhältnisse. Die Lenkerlänge L ist am kürzesten, wenn
R = (y+H) ist. Dann folgt aus dem früheren Ausdruck
Diese Lenkerlänge entspricht einem Grenzfall, der praktisch nicht verwendbar ist,
da in diesem Falle der Bogen 16-i5 als eine einzige Totpunktlage für den Zapfen
5 wirkt, der hierbei während der Kreisbewegung des Lenkers 3 von 16 zu 15 im Mittelpunkt
i des Kurbelkreises io verharren würde. Außerdem wird in diesem Falle der Winkel
zwischen dem Lenker 3 und dem Hebel q. gleich 0 bzw. i8o°, was einen Grenzfall der
kinematischen Bewegungsmöglichkeit darstellt. Dies wird außerdem später an Hand
der Abb. 5 noch näher erläutert. Der entsprechende Schwingbogen des Winkelhebelzapfens
ist mit iiö iio (Abb. q.) bezeichnet. Um den erwähnten Grenzfall zu vermeiden, müssen
die Kreisbogen ii-ii um den Festpunkt 6 alle außerhalb des Kurbellkreismittelpunktes
i liegen. Alle anderen Lenkergrößen sind praktisch möglich beim geforderten Verhältnis
a'= a"; wird der Winkelhebel um ein bestimmtes Maß verlängert, so muß der Lenker
ebenfalls um ein entsprechendes bestimmtes Maß verlängert werden. In Abb. q. sind
für verschieden lange Winkelhebel einige weitere Schwingkreise ii'-ii' bzw. ii"-ii"
dargestellt, auf welchen die verschiedenen Lenkergünstigste Lenkergröße bestimmt
und wird auf folgende Art erhalten: In Abb. q., in welcher gleich wie in Abb. 5
und 6 der zweite Arm qa des Winkelhebels nicht dargestellt ist, um eine größere
Übersichtlichkeit zu erhalten, ist der Schnittpunkt der Verbindungslinie des Kurbelkreismittelpunktes
i mit dem Winkelhebelfestpunkt 6 mit dem Kurbelkreis io mit 15 bezeichnet. Die Entfernung
6-z5 ist mit H bezeichnet, der Kurbelhalbmesser mit y, die Länge des einen Armes
des Winkelhebels mit R und die gesuchte Lenkerlänge mit L. Falls die geforderte
Beziehung ä = ä ' in den Totpunktlagen besteht, müssen die Dreiecke 2'-5'-6
und 2"-5"-6 gleich sein. Dies ist nur möglich, wenn die beiden Winkel zwischen den
Lagen 3' und 3" des Lenkers 3 und der Verbindungslinie des Kurbelzapfens in den
Totpunktlagen 2' und 2" mit dem Festpunkt 6 des Winkelhebels ß'-ß" = go° betragen,
denn dann ist die Länge x dieser Verbindungslinien 2"=6 und 2'-6 gleich. Auch bilden
die Längen X dann Tangenten des Kurbelkreises. Die erwähnten Gleichheiten folgen
aus den kongruenten Dreiecken 2'-5'-6 und 2"-5"-6. Die Lenkerlänge L wird daher
folgend erhalten endpunkte 5i' bzw. 5i" gezeichnet sind. Man sieht, daß bei zunehmender
Lenkerlänge L und Winkelhebellänge R der Winkel ai' = a? ' kleiner
wird. Hierbei werden bei unendlich langer Hebel- bzw. Lenkerlänge die Winkel ai'
= ai" gleich Null, was dem zweiten kinematischen Grenzfall entspricht.
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Die Gerade durch die Punkte i und 6 schneidet den Kurbelkreis io in
den Punkten 15 und 16. Wenn man durch den Kurbelkreismittelpunkt i auf diese Gerade
eine Senkrechte zieht, schneidet diese die einzelnen Schwingkreise ii-ii bzw. ii"-ii"
in den Punkten 5"' bzw. 5i"'. Es läßt sich leicht beweisen, daß die Verbindungsgerade
des Punktes 16 mit dem Punkte 5"' bzw. 5i"' der Lenkerlänge L entspricht. Die Höhe
h = i bis 5"' im rechtwinkligen Dreieck i-16-5"' ist gleich
Die Hypotenuse y = 16-5"' im rechtwinkligen Dreieck 1-16-5"' ist gegeben durch
welcher Ausdruck eben der vorher errechneten Lenkerlänge entspricht, was oben bereits
bewiesen wurde. Ein analoger Beweis kann auch für die Verbindungsgerade 15-5"' geführt
werden.
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Nun kann man die günstigste Länge L des Lenkers an Hand der Abb. 5
bestimmen. Für die beiden Zapfenlagen 2"" und 2"' ist ein beliebig langer Lenker
in den Lagen 3"" und 3"' dargestellt, wobei der Winkelhebel q."' für beide Fälle
dieselbe Lage annimmt. Die Lage 3"' des Lenkers entspricht dem Arbeitshub, die Lage
3"" dem Rücklauf entsprechend der Drehrichtung des Kurbelzapfens 2 in der Richtung
des Pfeiles 13. Bei verschiedenen Lenkerlängen L
verschiebt sich
der Zapfen 5 auf der früher erwähnten Senkrechten im Kurbelkreismittelpunkt i auf
die Gerade' 15-i6. Hierbei ändert sich der Zugwinkel beim Arbeitshub bzw. beim Rücklauf.
Bei anderen Lenkerlängen ergeben sich andere Winkel, z. B. d" und y" bzw. ö"' und
y"'.
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Es ergeben sich zwei Grenzfälle: Es wird y = 0° und 8 = 18o°,
wenn die Lenkerlänge L = y ist, und es wird d = 0°, wenn L = R = oo ist.
Beide Fälle sind nicht verwendbar, da unzulässige Beanspruchungen des Hebels und
des Lenkers entstehen. Zwischen beiden Grenzfällen liegt der günstigste Fall, bei
welchem der Zugwinkel am größten und daher am günstigsten ist. Dies tritt ein, wenn
der Zugwinkel für den Arbeitshub 8 = 9o° ist, wovon man sich wie folgt an Hand der
Abb. 5 überzeugt.
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Nach dem Sinussatz verhalten sich im Dreieck 6-i5-5 die Exzentrizität
H und die Hebellänge R wie die Sinusse der gegenüberliegenden Winkel, also
H : R = sin y : sin (i8o-s) _ sin y : sin E und analog im Dreieck
6-i6-5: (2,r + H) : R = sin ö : sin e. Aus diesen beiden Gleichungen
folgt-(-,i, + H) - sin y = H - sin 8 .
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Setzt man den Differentialquotient -
also
so muß, da weder
noch cos y = oo sein kann, cos 8 = 0 und daher 8 = 9o° sein. Daher liegt der Zapfenpunkt
5 auf dem Halbkreis über (2y -E- H) und nach den früheren Ausführungen auch auf
der Senkrechten i-5.
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In diesem Fall ist die Lenkerlänge gegeben durch
und die Vollhebellänge durch
Es sind natürlich auch in der Nähe der günstigsten Werte liegende Fälle verwendbar.
Um die vorteilhaften Fälle mit en bisher angenommenen Größen y und H in einfacher
Weise zu begrenzen, wird an Hand der Abb.6 die kürzeste vorteilhaft verwendbare
Lenkerlänge mit und die entsprechende längste mit L = v+H
gekennzeichnet. Die Größen erhält man, wenn man einerseits den Schnittpunkt
5,
des Kurbelkreises io mit der Senkrechten i-5 mit dem Grenzpunkt 16 verbindet
und andererseits, wenn man in der Totpunktlage 3".des Lenkers die Strecke 1-5g"
= H setzt. Diese Lenkerlängen sind auch in der Totpunktlage 3" des Lenkers
dargestellt, in welcher sie alle auf einer-Geraden liegen. Die entsprechenden Schwingkreise
sind mit rik und ii, bezeichnet, während derSchwingkreis für die günstigste Lenkerlänge
mit ii bezeichnet ist. Hierdurch sindjene-wirtschaftlich günstigsten Fälle begrenzt,
die einerseits keine übermäßigen Beanspruchungen der Getriebeteile und andererseits
keine zu großen Abmessungen bzw. Raumbedarf erfordern.
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Wenn die Lenkerlänge kleiner gewählt wird, steigen die Kräfte im Lenker
und im Winkelhebel rasch an, um im Grenzfall, wenn die Lenkerlänge gleich dem Kurbelkreishalbmesser
wird, unendlich groß zu werden. Wenn die Lenkerlänge andererseits vergrößert wird,
erfordert dies auch einen entsprechend größeren Winkelhebel, wodurch das Gewicht
des Getriebes bedeutend erhöht wird. Hiermit steigen auch die Abmessungen und der
Preis der Maschine derart an, daß dies wirtschaftlich nicht -mehr tragbar erscheint.
Das Getriebe soll bei günstigen Eigenschaften möglichst klein sein, da es bei Werkzeugmaschinen
und insbesondere bei Stoßmaschinen außerordentlich wichtig ist, daß die schwingenden
Massen und die Beanspruchungen der Einzelteile klein sind, denn es wird hierdurch
eine große Starrheit des Getriebes und der ganzen Maschine erreicht, was für eine
Präzisionsarbeit erforderlich ist.
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Das Lenkergetriebe nach der Erfindung ist für Horizontal- und Vertikalstoßmaschinen
bzw. Hobelmaschinen bestimmt, deren Arbeitshub mit kleinerer Geschwindigkeit und
deren Rücklauf mit beschleunigter Geschwindigkeit erfolgen soll. Hierbei ist zu
erwähnen, daß der zweite Arm 4" des Winkelhebels q. den Erfordernissen gemäß beliebig
lang sein kann und in beliebiger Richtung und mit verschiedener Übersetzung wirken
kann. Der Zapfen 7 des zweiten Armes 4" bewegt sich natürlich vollkommen analog
mit dem Zapfen 5 des Hebels q..
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In der Abb.7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Lenkergetriebes nach
der Erfindung in Anwendung bei einer Waagerechtstoßmaschine dargestellt. Es ist
ersichtlich, daß der Raumbedarf des Getriebes äußerst gering ist.
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Das Lenkergetriebe nach der Erfindung zeichnet sich durch seine große
Einfachheit, seine leichte Einbaumöglichkeit und seinen geringen Platzbedarf aus.
Die Reibungsarbeit ist wesentlich kleiner als bei den bisher verwendeten Getrieben;
der Schmierölverbrauch ist kleiner, da nur geschlossene und kleine Schmierflächen
vorhanden sind, insbesondere im Gegensatz zu den offenen Kulissenbahnen; die mechanischen
Beanspruchungen des Vollhebels sind günstiger als beim entsprechenden Kulissenhebel.
Auch die Herstellung des erfindungsgemäßen Lenkergetriebes ist einfacher.