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Stimmstock für Saiteninstrumente Die Erfindung bezieht sich auf Stimmstöcke
für Saiteninstrumente, beispielsweise Klaviere. Ein Stimmstock ist ein aus Holz
bestehendes Teil, in welches mit Gewinde versehene Metallstimmschrauben eingesetzt
werden, wobei die Saiten des Instruments an ihrem einen Ende an einem Metallrahmen
und an ihrem anderen Ende einzeln an den Stimmschrauben befestigt sind, um deren
Stimmen zu ermöglichen. Der Stimmstock selbst ist natürlich auch mit Bezug auf den
Metallrahmen oder die Metallplatte starr befestigt. Die Spannung der Saiten, durch
welche diesen die richtige Frequenzcharakteristik mitgeteilt wird, wird durch Drehen
. der Stimmschrauben erzielt, wobei die Saiten angezogen oder gelockert werden.
Hieraus ergibt sich, daß die Stimmschrauben im Stimmstock für das Stimmen drehbar
sein müssen; gleichzeitig müssen sie jedoch im Stimmstock so fest sitzen, daß sie
nicht durch die Spannung der Saiten verdreht werden, da dies sonst eine rasche Verstimmung
zur Folge haben würde.
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Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, einen Stimmstock und- ein
Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, so daß sich ein leicht stimmbares Instrument
ergibt, das in verringertem Maße einem im Laufe der Zeit erfolgenden Stimmungsverlust
durch »Lockerung« der Stimmschrauben ausgesetzt ist. In der Zeichnung zeigt
Fig.
i einen Schnitt, welcher einen Teil des Rahmens und der Platte eines Flügels zeigt,
die mit einem eine Reihe von Stimmschrauben tragenden Stimmstock gemäß der Erfindung
ausgerüstet ist, Fig. 2 ein Diagramm, welches das Verhalten der Stimmschrauben in
einem Stimmstock üblicher Konstruktion zeigt, wenn dieser mit Bohrern von verschiedenen
Größen und bei verschiedenen Betriebszuständen des Bohrers gebohrt ist, Fig. 3 ein
der Fig. 2 entsprechendes Diagramm, welches das Verhalten der Stimmschrauben in
einem Stimmstock gemäß der Erfindung bei Verwendung der gleichen Bohrer zeigt, Fig.
4 ein Diagramm, welches das Anfangs- und das Enddrehmoment einer Reihe warm gepreßter
Stöcke gegenüberstellt, wenn diese mit einem neuen Bohrer von 6,75 mm Durchmesser
gebohrt sind, Fig. 5 ein Diagramm, welches das Anfangs- und das Enddrehmoment einer
Reihe kalt gepreßter Stöcke gegenüberstellt, wenn diese mit einem neuen 6,75-mm-Bohrer
gebohrt sind. Allgemeines Stimmstöcke werden normalerweise aus Holz hergestellt,
wobei in den Vereinigten Staaten von Amerika hartes Ahornholz wegen seiner Festigkeit
fast ausschließlich für diesen Zweck verwendet wird. Von einem weicheren Holz kann
man nicht erwarten, daß dieses die Stimmschraube gleich gut gegen Drehung hält.
Hartes Ahornholz kann durch vergleichbare Holzarten ersetzt .werden, und obwohl
die Erfindung im nachstehenden bei Verwendung von hartem Ahornholz (hard maple)
beschrieben wird, soll die Anwendung der Erfindung nicht auf diese Holzart beschränkt
sein, so daß unter dem Ausdruck »Holz« auch andere Holzarten zu verstehen sind,
die für die Herstellung von Stimmstöcken geeignet sind und Eigenschaften haben,
die denjenigen von hartem Ahornholz ähnlich sind. Die nachfolgend gegebenen Lehren
führen zu einer Verbesserung des »Drehmoments« der Stimmschrauben, unabhängig von
der Art des verwendeten Holzes.
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In den meisten Fällen schreiben wirtschaftliche Erwägungen die Verwendung
von hartem Ahornholz vor, da diese 'Holzart anderen etwa zum gleichen Preis erhältlichen
Holzarten überlegen ist. Hierzu sei auf das Technical Bulletin 479 of the United
States Department of Agriculture verwiesen, aus welchem sich ergibt, daß Zuckerahorn
bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 12 Oh eine Druckfestigkeit parallel zur
Maserung von 379 kg/cm2 und senkrecht zur Maserung eine Druckfestigkeit von
127 kg/cm2 aufweist, während die Vergleichswerte für die gelbe Pappel bei
dem gleichen Feuchtigkeitsgehalt 25o bzw. 41 kg/cm2 sind.
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Wenn die Stimmstöcke keine ausreichende Haltefähigkeit für die Stimmschrauben
haben, so ist dies in erster Linie den Veränderungen zuzuschreiben, die im Holz
als Folge der Veränderungen seines Feuchtigkeitsgehalts auftreten. Durch eine sich
über viele Jahre erstreckende Beobachtung wurde festgestellt, daß Flügelstimmstöcke
nach mehrjährigem Gebrauch in höherem Maße lockere Stimmschrauben aufweisen als
Klaviere. Bei einem Flügel ist der Stimmstock i auf der Unterseite 'des Rahmens
oder der Platte 2 im wesentlichen, wie in Fig. i gezeigt, befestigt. In die Platte
oder in den Rahmen sind Löcher 3 gebohrt, durch welche sich die Stimmschrauben erstrecken
können. Die Platte übt keine Kraft aus, die sich der Drehung der Stimmschrauben
4 widersetzt, welche, wie gezeigt, nur durch -den Stimmstock gehalten werden. Obwohl
die Oberseite des Stimmstockes durch die Platte 2 bedeckt sein kann, ist der Stimmstock
an anderen Stellen atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt, so daß sein Feuchtigkeitsgehalt
sich sehr leicht verändern kann. Versuche haben gezeigt, daß Flügelstimmstöcke im
Sommer an der Golfküste einen Feuchtigkeitsgehalt von 14 bis i6 % erreichen können,
der im Winter in den Nordstaaten auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 3°/o absinken
kann.
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Bei Klavieren ist der Stimmstock mit der Vorderseite der Klavierrückwand,
die aus einer ziemlich massiven Holzkonstruktion besteht, verleimt, wobei der Rahmen
die gesamte Vorderseite des Stimmstockes bedeckt, so daß bei einem Flügel ein Stimmstock
(der im allgemeinen eine Dicke von 35 mm hat) mit allen seinen Flächen, gegebenenfalls
mit Ausnahme einer einzigen Fläche, der Atmosphäre ausgesetzt ist, während der Stimmstock
eines Klaviers einen Teil eines vollen Holzquerschnitts von etwa 2o cm Breite, i
i,5 cm Dicke und 1,37 m Länge bildet. Aus diesem Grunde wurde auch festgestellt,
daß die Veränderung im Feuchtigkeitsgehalt bei Klavierstimmstöcken nicht annähernd
so groß ist wie bei Flügelstimmstöcken. Die Erfindung ist natürlich auf die Stimmstöcke
beider Instrumentenarten anwendbar und bringt dementsprechende Verbesserungen. Von
ganz besonderer Bedeutung ist die durch die Erfindung erzielte Verbesserung bei
jeder der .beiden Instrumentenarten, wenn diese durch die Umstände ihrer Verwendung
wiederholten großen Veränderungen im Feuchtigkeitsgehalt ausgesetzt sind.
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Holz, das vom Stamm kommt, kann bis zu 2500/0 Feuchtigkeit enthalten.
Der Feuchtigkeitsgehalt von Holz wird wie folgt bestimmt:
Wasser kann im Holz in zwei verschiedenen Formen vorhanden sein. Das aufgesaugte
Wasser in den Zellwänden des Holzes kann 25 bis 300/0 des Gewichtes des ofentrockenen
Holzes betragen und wird im allgemeinen mit etwa 30 % angenommen. Das »freie Wasser«
ist alles Wasser, das zusätzlich zum aufgesaugten Wasser vorhanden ist, und ist
im allgemeinen dasjenige
Wasser, das sich in den Zellhohlräumen
des Holzes befindet.
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Beim Trocknen des grünen Holzes findet in den ersten Stufen kein Schwinden
statt, bis das freie Wasser im wesentlichen völlig ausgetrieben worden ist, d. h.
bis der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes auf etwa 30 % herabgesetzt worden ist. Das
Quellen oder Schwinden des Holzes wird durch das aufgesaugte Wasser, d. h. durch
das in den Zellwänden vorhandne Wasser, verursacht. Daher findet beim Übergang vom
»Fasersättigungspunkt« in einen Zustand, in welchem der Feuchtigkeitsgehalt Null
ist, ein Schwinden des Holzes statt, wobei das Schwinden als eine geradlinige Funktion
des Verlustes an aufgesaugtem Wasser betrachtet werden kann. Der Schwund ist jedoch
nicht in allen Richtungen der gleiche.
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Eine Linie, die vom Mittelpunkt eines Holzklotzes zu seinem Umfang
gezogen wird, wird als Radiallinie bezeichnet, während eine gerade Linie, die im
wesentlichen parallel zu den Jahresringen verläuft, als Tangentiallinie bezeichnet
wird. Unter Anwendung dieser Terminologie ergibt sich, daß, wenn ein Würfel aus
Zuckerahorn, der eine Seitenlänge von genau 25,4 mm an jeder Fläche beim Fasersättigungspunkt
hat, auf einen Feuchtigkeitsgehalt Null getrocknet wird, dieser 24,2 mm in radialer
Richtung, 23 mm in tangentialer Richtung und annähernd 25,4 mm in der verbleibenden
Richtung mißt. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß, wenn Zuckerahorn vom Fasersättigungspunkt
in den ofentrockenen Zustand gebracht wird, dieses in radialer Richtung etwa um
4,9°/o und in tangentialer Richtung um 9,511/o schwindet.
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Ein Stimmstock eines Flügels besteht üblicher-Weise aus einem 35 mm
starken Material, das Schichten aufweist, und zwar eine oberste Schicht und eine
unterste Schicht von je 3,2 mm Stärke und drei Zwischenschichten von je 9,5 mm Dicke.
Die Faserrichtung der obersten, mittleren und untersten Schicht verläuft parallel
zur Vorderkante des Flügels. Die Faserrichtung der anderen Schichten (Schicht 2
und 4) verläuft parallel zur Länge des Instruments, d. h. senkrecht zur Faserrichtung
in den Schichten i, 3 und 5 des Stockes.
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Das verwendete Holz ist Zuckerahorn. Dabei verlaufen die Jahresringe
des Holzes im wesentlichen senkrecht zur Fläche der Schichten, und die Breite der
Schichten liegt in der radialen Richtung des Holzes.
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Das Stimmschraubenmaterial ist in den Vereinigten Staaten genormt.
Die Stimmschraube hat einen Durchmesser von 7,i4 mm. Das obere Ende der Stimmschraube
ist viereckig oder in anderer Weise für den Eingriff mit einem Stimmschlüssel gestaltet.
Für die Hindurchführung der Saite ist eine Bohrung in einem Abstand von 16 mm vom
oberen Ende der Stimmschraube vorgesehen. Die Länge des mit einem Gewinde versehenen
Teils der Stimmschraube beträgt etwa 35 mm, und das untere mit einer Spitze ausgebildete
Ende der Stimmschraube hat eine Länge von 6 mm. Die Gesamtlänge der Stimmschraube
beträgt 63,5 mm. Wenn die Stimmschraube in einen Stimmstock von 35 mm Dicke richtig
eingetrieben ist, ,erstreckt sich das untere Ende der Stimmschraube im wesentlichen
bis zur Unterseite des Stimmstocks, wie in Fig. i gezeigt.
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In die Stimmstöcke werden Löcher gebohrt, die mit Bezug auf die Stimmschrauben
Untermaß aufweisen, so daß sie den Stimmschrauben ein verhältnismäßig hohes Drehmoment
geben. Wenn beispielsweise eine Stimmschraube mit einem Durchmesser von 7,14 mm
in eine Bohrung von einem Lurchmesser von 6,6 mm in einem massiven Ahornstück von
35 mm Dicke eingetrieben wird, besteht große Wahrscheinlichkeit, daß das Holzstück
gespalten wird. Dies ist auch der Grund, warum Ahornstimmstöcke bisher für Klaviere
u. dgl. aus geschichtetem Holz mit sich kreuzendem Faserverlauf hergestellt wurden.
Es ist ferner richtig, daß der wechselnde Faserverlauf in den Schichten der Schichtholzstöcke
üblicher Art bis zu einem gewissen Grade dazu beiträgt, das Quellen und Schwinden
der einander benachbarten Schichten zu begrenzen, wodurch die Maßstabilität des
geschichteten Materials verbessert wird, wenn auch die Wirkung sehr gering ist.
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Als Beispiel für die Wirkung von Veränderungen im Feuchtigkeitsgehalt
in einem Stück Ahornschichtholz sei auf folgende Daten verwiesen. Wenn ein Loch
von 6,6 mm Durchmesser durch ein solches Stück Schichtholz gebohrt und dieses in
eine Kammer mit regelbarer Feuchtigkeit gebracht wird, bis es einen Feuchtigkeitsgehalt
von i2o/o erreicht, tritt eine geringe Änderung des 6,6-mm-Maßes in der Faserrichtung
ein, während sich das Maß senkrecht zur Faserrichtung auf 6,67 mm (6,6 -1- 6,6 X
30X 0,049) verändert. Wenn das gleiche Stück Holz dann bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt
von 3°/0 getrocknet wird, wird das Mag des Lochs senkrecht zur Faserrichtung 6,57
mm. Wenn sich nun, angenommen, eine Stimmschraube in dem Loch befindet, so ergibt
sich aus dem vorangehenden, daß wegen der verhältnismäßig geringen Druckfestigkeit
von Ahorn senkrecht zur Faserrichtung das Holz gespalten wird, wenn die Ausdehnung
infolge des Feuchtigkeitsgehalts die Elastizitätsgrenze des Holzes überschreitet,
so daß die Haltefähigkeit des Holzes für die Stimmschraube nach dem erneuten Trocknen
geringer ist. Daher nimmt während der Zu- und Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts in
einem Stimmstock im normalen Gebrauch die Haltefähigkeit der Stimmschrauben ab,
obwohl dies unregelmäßig geschieht und sich dieser Vorgang oft über einen Zeitraum
von vielen Jahren erstreckt.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß, wenn eine Stimmstockprobe einer
relativen Feuchtigkeit von 8o bis 85 °/o ausgesetzt wird, bis der Feuchtigkeitsgehalt
des Holzes 16% erreicht hat, und die Probe dann allmählich getrocknet wird, bis
sie einen Feuchtigkeitsgehalt von 3 bis 3,5"/o erreicht, und diese Behandlung dreimal
wiederholt wird, weitere Feuchtigkeitsschwankungen keinen ins Gewicht
fallenden
Verlust in der Haltefähigkeit der Stimmschrauben hervorzurufen scheinen. Hierdurch
wird die Möglichkeit geschaffen, Kurzzeitversuche mit Stimmstöcken durchzuführen,
besonders da der im praktischen Gebrauch auftretende Verlust der Haltefähigkeit
im wesentlichen innerhalb der beim Versuch entwickelten Grenzen liegt.
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Das Drehmoment einer Stimmschraube ist das Produkt der Kraft oder
des Druckes, der auf die Schraube durch das Holz ausgeübt wird, multipliziert mit
dem Reibungskoeffizienten, multipliziert mit dem Radius der Stimmschraube. Wenn
die Größe des Loches, in welchem die Stimmschraube im Holz gehalten wird, sich durch
das Quellen oder Schwinden des Halzes verändert, verändert sich auch das Drehmoment.
Gleichzeitig erfährt der Reibungskoeffizient mit der Änderung des Feuchtigkeitsgehaltes
des Holzes eine Veränderung. Es ist ferner zu erwähnen, daß Holz einem höheren Druck
als dem normalen kurzzeitig ohne Bruch standhalten kann. Wenn eine Stimmschraube
erstmalig in ein Holzstück eingetrieben wird, ist ein sehr hohes Anfangsdrehmoment
die Folge, was ein weiteres Problem mit sich bringt. Das Anfangsdrehmoment (und
überhaupt das Drehmoment zu jedem Zeitpunkt) darf etwa 350 cmkg nicht überschreiten,
da Stimmschrauben normalerweise bei einem Drehmoment von etwa 400 cmkg brechen.
Dieses Problem kann nicht dadurch gelöst werden, daß man die Größe der Stimmschrauben
verändert. Die Stimmschrauben haben bekanntlich eine Ouerbohrung oder Queröffnung
für die Aufnahme des Endes der Saite. Es besteht daher die Gefahr, daß die Stimmschrauben
an der Stelle dieser Bohrung brechen. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Stimmschrauben
würde deren Festigkeit erhöhen, wobei jedoch in Kauf genommen werden muß, claß das
Abstimmen weniger genau oder schwieriger wird oder beides. Ferner muß die Leichtigkeit
der Stimmbarkeit des Instruments berücksichtigt werden. Der Klavierstimmer bevorzugt
im Durchschnitt eine Stimmschraube, die ein Drehmoment hat. das etwa im Bereich
von 85 bis 175 cmkg in dem Zeitpunkt liegt, in dem das Piano gestimmt wird.
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Theoretisch werden Stimmschrauben mit einer Haltefähigkeit oder einem
Drehmament von .Io cmkg oder weniger als »locker« betrachtet. Bei solchen Stimmschrauben
ist ein Zurückdrehen möglich, wenn eine Saite an ihnen unter einer Spannung von
114 kg zieht, da 114 kg, multipliziert mit 3,5 mm (dem Radius der
Stimmschraube), 4o cmkg ergibt. Auf experimentellem Wege wurde festgestellt, daß
eine Stimmschraube mit einem Drehmoment von 4o cmkg für eine Saitenspannung von
136 kg gerade sicher ist, da alle Stimmschrauben ein geringfügig höheres
Bruchmoment haben. Unter den gegebenen Umständen kann eine Stimmschraube, die ein
wahres Drehmoment von 4o cmkg hat, ein Bruchmoment von 52 bis 58 cmkg aufweisen,
wobei das Drehmoment auf den niedrigeren Wert abfällt, sobald die eigentliche Inbetriebnahme
der Stimmschraube stattgefunden hat. Veränderungen im Feuchtigkeitsgehalt des Holzes
beeinflussen das Anfangsdrehmoment zu verschiedenen Zeitpunkten verschieden. Ziel
der Erfindung ist nun die Schaffung eines Stimmstockes und eines Verfahrens zu seiner
Herstellung in der Weise, daß einerseits das Drehmoment jeder Stimmschraube (einschließlich
ihres Anfangsdrehmoments) 350 cmkg nicht überschreitet und andererseits ihr
Drehmoment nach vieljährigem Gebrauch bei normalen Veränderungen der atmosphärischen
Feuchtigkeit nicht unter 40 cmkg abfällt. Ein kontinuierliches Drehmoment während
der gesamten Lebensdauer des Instruments und unter allen Gebrauchsverhältnissen,
das im Bereich von 6o bis 120 cmkg liegt, wird als ideal betrachtet.
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In der Vergangenheit waren Bemühungen darauf gerichtet, von der Verwendung
von Stimmstöcken aus Holz abzugehen. Es ist vorgeschlagen worden, Stimmstöcke aus
geschichtetem Kunstharz herzustellen dadurch, daß man Gewebelagen mit unvollständig
polymerisierten synthetischen Harzen sättigt und aus diesen Gewebelagen durch Pressen
und Vulkanisieren Platten herstellt. Diese Bemühungen waren jedoch nicht erfolgreich.
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Das Wesen der Erfindung Es wurde festgestellt, daß die Haltefähigkeit
eines Stimmstocks für in ihm eingesetzte Stimmschrauben von mehreren Faktoren -
abhängt, die nachfolgend aufgezählt sind: a) der Größe der im Stimmstock vor dem
Eintreiben der Stimmschrauben in ihre Lage vorgeformten Löcher, b) dem Aufbau des
Stimmstockes selbst, wie nachfolgend beschrieben, c) der Dichte des Stimmstockes
und d) der Art seiner Herstellung.
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Auf Grund der Tatsache, daß, wie bereits beschrieben, im wesentlichen
eine Stabilisierung des Stimmschraubendrehmoments nach Abschluß des Versuches mit
drei Feucht-Trocken-Behandlungen eintritt, bildet dieser stabilisierte Wert ein
geeignetes Maß für das tatsächliche Drehmoment.
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Hervorragende Ergebnisse wurden mit sauberen, gut geschnittenen Löchern
erzielt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die anfängliche Bohrlochgröße im
Vergleich zum Außendurchmesser der Stimmschraube von sehr wesentlicher Bedeutung
ist. Wie bereits erwähnt, werden die Stimmschrauben in Untermaßlöcher des Stimmstockes
eingetrieben, so daß die Stimmschrauben selbst das Holz zusammendrücken. Die hierbei
erzielte Wirkung ist jedoch wesentlich verschieden von der. welche sich beim Zusammendrücken
des Holzes ergibt, wenn ein abgenutzter Bohrer verwendet worden ist. Bei den Versuchen,
auf welche die Beschreibung Bezug nimmt, wurden die Löcher in allen Stimmstöcken
mit Stimmschrauben mit einem Durchmesser von 7,4 ± o,o2 mm bestückt. Die Stimmschrauben
wurden mit einem pneumatischen Hammer auf die bei den handelsüblichen Flügeln verwendete
Normaltiefe eingetrieben, d. h., die Spitze der Schraube wurde bis zu einem Punkt
eingetrieben, der 35 mm unter der Oberseite - des
Stimmstockes liegt,
so daß der mit Gewinde versehene Teil der Schraube eine Eingriffslänge mit der Innenfläche
des Loches von 30 mm hatte. Durch Veränderungen in der Dicke der Stimmstöcke
als solche wird unter diesen Umständen das Drehmoment der Stimmschrauben nicht beeinflußt.
Auf alle Stimmschrauben wurde eine Stunde nach dem Eintreiben und »Setzen« ein Drehmoment
ausgeübt. Der Ausdruck »Setzen« ist ein Ausdruck, der verwendet wird, um den Vorgang
zu bezeichnen, bei welchem eine Stimmschraube um eine halbe Umdrehung im Uhrzeigersinn
gedreht, hierauf um eine Vierteldrehung zurückgedreht, dann wieder um eine Vierteldrehung
im Uhrzeigersinn gedreht wird, wobei die Windungen der Saite in der üblichen Weise
»angehoben« werden.
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Fig. 2 zeigt das typische Verhalten von normalen Stimmstöcken, wenn
diese mit Löchern von verschiedener Größe gebohrt und mit Stimmschrauben besetzt
werden, und zwar vor und nach der Feucht-Trocken-Behandlung. Diese Stöcke entsprachen
in ihrem Aufbau den üblichen Stimmstöcken der beschriebenen Art, d. h., jeder Stimmstock
bestand aus zwei Außenstücken aus Ahorn von 3,2 mm Dicke und drei Innenstücken aus
Ahorn von 9,5 mm Dicke. In Fig. 2 ist das Drehmoment auf der X-Achse aufgetragen.
Die Y-Achse ist in Abschnitte unterteilt, welche die Verwendung von Bohrern verschiedener
Größe angeben.
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Der Fig.2 ist die Fig.3 gegenüberzustellen, welche das Verhalten eines
Stimmstockes zeigt, der unter ähnlichen Bedingungen mit Stimmschrauben ausgerüstet,
jedoch, wie im nachstehenden näher erläutert, in Übereinstimmung mit den Lehren
der Erfindung hergestellt worden ist. Auch in diesem Falle hat sich wieder ergeben,
daß, wenn statt alten oder abgenutzten Bohrern neue Bohrer von gleicher Größe verwendet
werden und wenn die Bohrergröße gegenüber dem Durchmesser der Stimmschraube zunimmt,
das Anfangsdrehmoment ständig abnimmt. Gleichzeitig werden die Enddrehmomente sehr
wesentlich verbessert. Selbst unter den ungünstigsten Bedingungen betrug der Durchschnittswert
des Enddrehmoments nur 64 cmkg, welcher Wert auf nahezu zoo cmkg anstieg, wenn ein
neuer Bohrer mit einem Durchmesser von 6,75 mm verwendet wurde. Hierbei ist zu erwähnen,
dafi die *Enddrehmomente in allen Fällen beträchtlich höher lagen und sich in keinem
Falle dem Mindestwert von 40 cmkg annäherten, obwohl in der Darstellung der Fig.
2 zwei dieser Werte unter diesem Mindestwert liegend und die übrigen Werte nur geringfügig
darüberliegend dargestellt sind. Ferner ergibt sich, daß eine wesentliche Verbesserung
des Enddrehmoments erzielt wurde, wenn statt eines neuen Bohrers mit einem Durchmesser
von 6,6 mm ein neuer Bohrer mit einem Durchmesser von 6,75 mm verwendet wurde, wie
in Fig. 3 gezeigt. Diese Veibesserung des Enddrehmoments ist von einer sehr starken
Verminderung des Anfangsdrehmoments begleitet. Die Stimmstöcke nach Fig. 3 kommen
nach demEinsetzen von. Stimmschrauben in Löcher, die mit Bohrern von einem Durchmeser
von 6,75 und 6,85 mm gebohrt worden sind, dem Idealzustand sehr nahe.
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Ein Hauptunterschied liegt in dem Aufbau der Stimmstöcke. Die in Fig.3
dargestellten Werte haben sich aus der Prüfung von Stimmstöcken ergeben, deren Dicke
32 mm betrug und die aus 39 Lagen oder Schichten aus Zuckerahorn von einer Dicke
von je o,9 mm bestanden. Die Schichten waren so angeordnet, daß die Faserrichtung
jeder folgenden Schicht senkrecht zur Faserrichtung der vorhergehenden Schicht verlief
und die einzelnen Schichten miteinander durch Phenolharzbindemittel durch Warmpressen
festhaftend miteinander verbunden waren. Wie im nachstehenden näher erläutert, wurde
festgestellt, daß, wenn ein Stimmstock aus verhältnismäßig dünnen Holzschichten
hergestellt wird, die miteinander durch ein Harzbindemittel verbunden sind, sich
innerhalb gewisser Grenzen die neuen und überraschenden in Fig. 3 dargestellten
Ergebnisse zeigen. Es wurden Schichtstärken von 9,5 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, 1,3 mm und
o,9 mm untersucht.
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In den graphischen Darstellungen der Fig. 4 und 5 ist das Anfangs-
und das Enddrehmoment von Abstimmschrauben in einer Reihe von verschieden aufgebauten
Stimmstöcken dargestellt. Längs der waagerechten Achse jedes Diagramms ist die Einzeldicke
der Schichten der Stimmstöcke mit den Werten ihrer Dicke aufgetragen. Die senkrechte
Achse gibt die Werte der Drehmomente in Zentimeterkilogramm an. Die mit dem Wert
9,5 mm bezeichneten Stöcke waren Stöcke von normaler Bauart, wobei der Wert von
9,5 mm angeben soll, daß die Dicke der drei Hauptschichten des Stimmstocks 9,5 mm
betrug. Die Dicke der oberen und unteren Außenschicht betrug jedoch 3,2 mm, wie
dies bisher bei der Herstellung von Stimmstöcken üblich war. Den in Fig. 4 und 5
gezeigten Diagrammen ist außerdem das Verhalten der jeweiligen Stöcke zugrunde gelegt,
wenn diese mit neuen Bohrern von einem Durchmesser von 6,75 mm gebohrt und in der
vorangehend beschriebenen Weise mit Stimmschrauben versehen worden sind.
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Das Diagramm der Fig. 4 bezieht sich auf warm gepreßte Stöcke. Der
Wert von 9,5 mm bezieht sich auf Stimmstöcke von üblichem Aufbau und auf eine Durchschnittsdichte
von 0,723 g/ccm. Der Wert'von 6,4 mm bezieht sich auf einen Stimmstock aus
Zuckerahorn, der aus fünf Schichten von je 6,4 mm Dicke mit zwei Stirnschichten
von je 1,3 mm Dicke bestand. Diese Stimmstöcke hatten eine Durchschnittsdichte von
0,718 g/ccm.
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Der Wert von 3,2 mm in Fig. 4 bezieht sich auf Stimmstöcke aus Ahorn
mit elf Schichten von je 3,2 mm Dicke. Diese Stöcke hatten eine Durchschnittsdichte
von o,732 g/ccm. Die mit 1,3 und o,9 mm bezeichneten Werte beziehen sich
auf Stimmstöcke aus Ahorn, die aus 2.7 Schichten von je 1,3 mm Dicke bzw.
aus 39 Schichten von je o,9 mm Dicke . bestanden. Die Dichte der ersterwähnten Stimmstöcke
betrug o,829 g/cem, während die Dichte der letzterwähnten Stöcke 0,851 g/ccm betrug.
Zum
Diagramm der Fig. 5 ist zu erwähnen, daß die Stöcke hinsichtlich ihrer Dicke und
der Anordnung ihrer Schichten in gleicher Weise aufgebaut waren, jedoch durch Kaltpressen,
wie nachstehend näher beschrieben, hergestellt wurden. Die Dichte der mit dem Wert
9,5 mm bezeichneten Normalstöcke betrug durchschnittlich o,691 g/ccm. Die Dichte
der mit dem Wert 6,4 mm bezeichneten Stöcke betrug durchschnittlich 0,726
g/ccm. Die Dichte der mit dem Wert 3,2 mm bezeichneten Stöcke betrug durchschnittlich
0,730 g/ccm. Die Dichte der mit 1,3 mm bezeichneten Stöcke war durchschnittlich
0,788 9/ccm und die Dichte der Stöcke mit dem Wert o,9 mm war durchschnittlich
0,777 9/ccm.
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Sowohl aus Fig. 4 wie auch aus Fig. 5 .ergibt sich, daß die Abnahme
der Dicke der Schichten von 9,5 auf 6,4 mm geringen Einfiuß auf die Haltefähigkeit
der Stimmschrauben hatte. In beiden Fällen ging das Anfangsdrehmoment dadurch etwas
zurück. Das Enddrehmoment blieb bei den warm gepreßten Stöcken annähernd gleich,
während es bei den kaltgepreßten Stöcken von einem geringfügig unter 40 cmkg liegenden
Wert auf einen geringfügig darüberliegenden Wert anstieg. Die Abnahme der Dicke
der Schichten oder Lagen auf 3,2 mm oder weniger hatte jedoch eine merkwürdige Wirkung
auf das Drehmoment der Stimmschrauben. Während bei dem Anfangsdrehmoment die Neigung
für einen leichten Anstieg bestand, war eine beträchtliche und erwünschte Zunahme
des Enddrehmoments festzustellen.
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Es wurde festgestellt, daß, wenn sonst alle anderen Faktoren gleich
sind, dieoptimale Schichtdicke für warm gepreßte Stimmstöcke bei annähernd 6,4 mm
oder weniger liegt, während für kalt gepreßte Stimmstöcke eine Dicke von etwa
1,3 mm oder weniger optimal zu sein scheint. Zweifellos ergeben verschiedene
Lochdurchmesser beste Ergebnisse wiederum mit Stimmschrauben von verschiedenen Durchmessern.
Da jedoch in den Vereinigten Staaten die Stimmschrauben im wesentlichen auf einen
Durchmesser von 7,r4 mm genormt sind, ist es zweckmäßig, das Verhältnis in Bohrergrößen
auszudrücken. Bei der Durchführung der Erfindung wurde im Gegensatz zu den Stimmstöcken
üblicher Bauart festgestellt, daß die Bohrergröße von beispielsweise 6,6 bis 6,85
mm oder von einem Verhältnis zwischen Bohrerdurchmesser und Stimmschraubendurchmesser
von etwa 0,925 bis etwa o,96 mm schwanken kann, ohne daß dabei das Enddrehmoment
wesentlich beeinflußt wird. Wenn ein Bohrer von nur etwa 6,6 mm verwendet wird,
besteht eine gewisse Gefahr, daß die Stimmschrauben in den Stimmstöcken gemäß der
Erfindung infolge eines übermäßig hohen Anfangsdrehmoments brechen. In den meisten
Fällen scheint ein Bohrer mit einem Durchmesser von 6,75 mm optimal zu sein, wobei
die Toleranz jedoch verhältnismäßig hoch ist. Gute Ergebnisse lassen sich mit Bohrern
von einem Durchmesser von 6,85 mm 'erzielen, was bei den normalen Stimmstöcken jedoch
nicht der Fall ist. Die Dichte hängt in erster Linie von dem Verhältnis von Bindemittel
zum Holz ab und ferner von der Temperatur- beim festhaftenden Verbinden der Schichten
und dem dabei angewandten Druck. Die Stimmstöcke gemäß der Erfindung wurden mit
einem Druck von 14 kg/cm2 hergestellt, und zwar beim Warmpressen bei einer Temperatur
von r50° C der Druckplatte. Bei diesen Bedingungen und beim Aufbringen des Harzbindemittels
in der nachstehend näher beschriebenen Weise hatten die warm gepreßten Stimmstöcke
bei einer Schichtstärke von 1,3 bzw. o,9 mm eine Dichte von 0,83 bzw.
0,85 g/ccm. Bei einer Dichte unter o,83 9/ccm zeigten die Stimmstöcke die
typischen QEigenschaften der Stimmstöcke der bisher üblichen Art, bei welchen das
Drehmoment nach der auf das Anreichern mit Feuchtigkeit folgenden Trocknung beträchtlich
niedriger ist als das Drehmoment bei einem hohen Feuchtigkeitsgehalt. Bei einer
Dichte von über o,83 g/ccm zeigte das Drehmoment beim Trocknen nach dem Verbringen
auf einen hohen Feuchtigkeitsgehalt eine Tendenz, sich dem Drehmoment des Holzes
bei hohem Feuchtigkeitsgehalt anzunähern oder dieses sogar geringfügig zu überschreiten.
Das Kreuzen dieser Kurven bei einem Dichtewert von etwa 0,83 g/ccm hat zur
Annahme geführt, daß die optimale Dichte eines warmgepreßten Stimmstockes der Konstruktion
gemäß der Erfindung in der Nähe dieses Wertes liegt, nämlich bei -etwa
0,83 g/ccm. Wenn die Dichte diesen Wert stark überschreitet, beginnt sich
der Stimmstock wie das in üblicher Weise geschichtete Harzmaterial zu verhalten
und wird daher als Stimmstock unbefriedigend.
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Wie erwähnt, hängt die Dichte in hohem Maße von dem Verhältnis des
Bindemittels zum Holz ab, das seinerseits sich mit der Zahl der Schichten bei einem
Stimmstock von gegebener Dicke ändert unter der Annahme, daß dasselbe Bindemittelgewicht
je Schicht verwendet wird. Es ist infolgedessen schwierig, einen Dichtebereich ohne
Berücksichtigung anderer Faktoren aufzustellen. Gute Ergebnisse sind jedoch mit
Dichtewerten erzielt worden, die zwischen etwa 0,72 und etwa o,87 g/ccm schwanken.
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Wenn der Harzüberzug zwischen den Schichten derselbe bleibt, so nimmt
die Dichte des Stimmstockes in dem Maße zu, in welchem die Anzahl der Schichten
bei einer bestimmten Stärke zunimmt. Zweckmäßig ändert sich der Lochdurchmesser
innerhalb der angegebenen Grenzen - von 6,6 bis 6,85 mm - umgekehrt zu der Schichtdicke,
welche innerhalb der vorstehenden Grenzen von 3,2 und o,9 mm liegt, und proportional
zu der in dem vorstehend angegebenen Bereich liegenden Dichte. Die Dichte ist der
wesentliche Faktor, da sie sich nicht unbedingt mit der Schichtdicke ändert.
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Das Herstellungsverfahren Unter der verwendeten Bezeichnung »Bindemittel«
ist ein Bindemittel auf Harzgrundlage zu verstehen, das unter geeigneten Bedingungen
zu
einer harten unschmelzbaren und unlösbaren Schicht abbindet.
Das Bindemittel selbst braucht nicht ausschließlich aus einem sich härtenden Harz
bestehen, sondern kann andere Stoffe enthalten und, wenn gewünscht, in einem Lösungsmittel
aufgelöst oder suspendiert sein. Bei den beschriebenen Versuchen wurden zwei Hauptarten
von, harzhaltigen Bindemitteln verwendet, und zwar einmal ein unvollständig polvm-erisiertes
Harz, das unter Wärme- und Druckanwendung sich auf die Endform verhärtet, und ferner
ein harzhaltiges Bindemittel, das bei Anwesenheit eines geeigneten Katalysators
bei Raumtemperatur erhärtet.
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Für die Herstellung warm gepreßter Stimmstöcke kann ein warm härtendes
Harz, z. B. ein Phenolformaldehydharz od. dgl., zweckmäßig ein nur schwach vernetztes,
wärmehärtbares Phenol-Formaldehyd - Kondensationsprodukt verwendet werden, das in
Wasser, Alkohol oder Aceton löslich oder mit diesen Flüssigkeiten mischbar ist.
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Die Art des harzhaltigen sich erhärtenden Bindemittels ist für die
Durchführung der Erfindung nicht wesentlich. Daß manche Harze -infolge der mit ihnen
verbundenen Eigenschaften zu bevorzugen sind, ist natürlich richtig. Die durch die
Erfindung gegebenen Lehren sind jedoch darauf gerichtet, Verbesserungen bei Stimmstöcken
zu erzielen, bei welchen ein beliebiges harzhaltiges Bindemittel verwendet wird,
das geeignet ist, Schichten aus Holz festhaftend miteinander zu verbinden. Daher
können z. B. auch Harnstofformaldehydharze oder Akrylnitril- oder Melaminharze verwendet
werden.
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Bei der Herstellung von Stimmstöcken durch das Kaltpreßverfahren wird
eine Harzart benutzt, die, wenn sie für den Gebrauch gemischt wird, sich mit einer
harten unschmelzbaren Form ohne Wärmeanwendung erhärtet. Diese Harze sind zum größten
Teil Kondensationsprodukte von Resorcin und Formaldehyd. Zu einigen von diesen muß
vor dem Gebrauch ein Katalysator zugesetzt werden, während andere katalytische Stoffe
enthalten, die aktiv werden, wenn die Harze in einem geeigneten Trägerstoff aufgelöst
oder suspendiert werden. Bei wieder anderen dieser Harze ist es üblich, zwei Zusammensetzungen
zu mischen, von denen keine hinsichtlich der Kondensationsreaktion vollständig ist.
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So kann z. B. ein Harz verwendet werden, welches das Resorcinol und
einen Teil des Formaldehyds enthält. Zur Verwendung wird diese Mischung mit einem
sogenannten Katalysator vermischt, welcher den restlichen Formaldehyd und einen
Füllstoff, z. B. Holzmehl, enthält. Andere ähnliche Harze können ebenfalls verwendet
werden.
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Bei der Herstellung von Stimmstöcken durch das Kaltpreßverfahren werden
die Holzschichten in geeigneter Weise mit harzhaltigem Bindemittel überzogen, was
durch Bürsten, Aufsprühen, Eintauchen oder in anderer Weise geschehen kann. Hierauf
werden die Holzschichten gestapelt und in einer geeigneten Presse beliebiger Bauart
einem Druck von beispielsweise 14kglcm2 ausgesetzt. Das Erhärten des Harzes findet
bei Raumtemperatur statt, wobei es nur erforderlich ist, den Stimmstock für einen
geeigneten Zeitraum in der Presse zu lassen, um das Erhärten in der erforderlichen.
Weise zu erzielen.
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Bei der Herstellung warm gepreßter Stimmstöcke kann das Bindemittel
in ähnlicher Weise aufgebracht werden, worauf die Schichten gestapelt und gepreßt
werden. Um die erforderliche Erhärtung zu erzielen, muß ausreichend Wärme für einen
ausreichenden Zeitraum bei Druckanwendung zugeführt werden.
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Beispielsweise kann bei der Herstellung eines Stimmstockes. unter
Verwendung von Holzschichten aus Zuckerahorn von o,9 mm Dicke so verfahren werden,
daß z. B. i9 Holzschichten mit Harzbindemittel überzogen und gestapelt werden und
der Stapel zwischen Platten auf eine Temperatur von etwa 15o bis i55° C 25 Minuten
lang erwärmt wird. Zwei solcher Stapel können nach dem Kühlen miteinander dadurch
festhaftend verbunden werden, daß zwischen sie eine o,9 mm dicke Ahornschiebt eingesetzt
wird, die mit Resorcin-Formaldehyd-Raumtemperaturbindemittel, das einen Katalysator
enthält, überzogen wird, und bei Raumtemperatur erhärten läßt. Es liegt jedoch nicht
außerhalb des Rahmens der Erfindung, eine warm gepreßte Platte oder einen warm gepreßten
Stimmstock in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen, wenn dies auch einen längeren
Zeitraum beansprucht. Warm gepreßte Stimmstöcke haben, wie sich aus den Zeichnungen
ergibt, normalerweise ein höheres Drehmoment als kalt gepreßte Stöcke.
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Gemäß einem beispielsweisen Verfahren für bestimmte Flügelbauarten
wird eine Stimmstockplatte von -35 mm Dicke, 4o cm Breite und i,52 m Länge hergestellt.
Hierzu kann ein auf o,9 mm Dicke geschnittenes hartes Ahornholz verwendet werden.
Die Furnierschichten mit Längsfaserung sind natürlich 40 cm breit und
1,52 m lang. Für die Herstellung der quer gefaserten Schichten wird das Holz
zusammengefügt und auf die gleichen Abmessungen zugeschnitten.
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Was das Bindemittel betrifft, so können 9 kg eines nur schwach vernetzten,
wärmehärtbaren Phenol-Formaldehydkondensats verwendet werden, das mit 6,i2 kg Wasser
und. i,8 kg Methanol gemischt wird. Für da:s Aufbringen dieses Bindemittels auf
die Furnierschichten ist es vorzuziehen, eine Walzenauftragvorrichtung zu verwenden,
die aus zwei Auftragwalzen besteht, zwischen welchen die Furnierschichten hindurchgeführt
werden. Jede Auftragwalze ist mit einer verstellbaren Zuführungswalze versehen,
von der das Harz oder der harzhaltige Überzug an der Berührungsstelle mit der Auftragwalze
auf diese übertragen wird. Die Zuführungswalze mißt das Harz der Auftragwalze zu,
die ihrerseits einen verhältnismäßig dünnen Film auf die Furnierschichten überträgt.
Es kann beispielsweise so verfahren werden, daß nur die in Längsrichtung ' gefaserten
Schichten überzogen werden, wobei 18,8 bis 19,5 kg der vorerwähnten Mischung auf
loo m2 ihrer Fläche aufgetragen werden. Die überzogenen Schichten. werden auf mit
Durchbrechungen
versehenen Abstandsplatten in einem klimatisierten Raum von einer relativen Feuchtigkeit
von 5o % und bei einer Temperatur von 13 bis 27° C etwa 2o bis 28 Stunden gelagert.
Die nicht überzogenen Schichten, bei welchen die Fasern in Querrichtung verlaufen,
werden vorzugsweise in ähnlicher Weise behandelt. Beim Stapeln der Schichten für
das Pressen werden die nicht überzogenen, in Querrichtung gefaserten Schichten zwischen
je zwei in Längsrichtung gefaserten Schichten über die ganze Höhe des Stapels gelegt.
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Anstatt zwei halbdicke Platten herzustellen und diese dann zur Bildung
einer Platte in der voranstehend beschriebenen Weise zusammenzufügen, kann zunächst
eine Platte von halber Dicke hergestellt werden und nach dem Kühlen zusätzliche
überzogene oder nicht überzogene Schichten auf jede Seite der halbdicken Platte
aufgebracht werden, bis die endgültige Dicke erreicht ist. Der Stapel wird sodann
wieder in eine Presse gebracht und, wie vorangehend beschrieben, durch Wärmeanwendung
zum Erhärten gebracht. Dieses Verfahren ist sehr vorteilhaft, da der Mittelteil
der fertigen Platte von voller Dicke vorher abgebunden hat und die Wärme im Mittelteil
nicht auf den vollen Wert gebracht werden muß.
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Nach der Fertigstellung der Platte wird diese in Längsrichtung in
Stimmstöcke von den erforderlichen Abmessungen geschnitten.