JP5373061B2 - 押出機伝動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前提部に記載の押出機を駆動するための伝動装置に関する。
互いに密に噛合するシャフトを備えたツインスクリュ押出機で物質を加工することの利点は、経済的にもプロセス工学的にも不可欠である。このような機械の潜在性能を評価するための一つの考慮すべき重要な基準が、トルク密度、すなわち中心距離の3乗に対するシャフト当たりのトルクの比である。性能は、さらに回転速度によって決定される。
プロセス工学に関しては、後続のスクリュシャフトへの製品の移行をどのように行うかがさらに肝要である。シャフトを同方向回転で動作させるか反対方向回転で動作させるかによって、特に摩耗および回転速度に決定的な影響を及ぼすことになる非常に異なる量の押し広げ力が、2つの隣り合うシャフトの加工要素間のウェッジに生じるからである。
欧州特許第0962298号には、逆転伝動装置の設置後にスクリュシャフトを同方向または反対方向に回転させるために比較的簡単に用いることができる高性能ツインスクリュ押出機用の伝動装置が開示されている。反対方向回転スクリュ押出機用の伝動装置の従来技術の例は、国際公開第2007/093228(A1)号および欧州特許第995580(B1)号である。独国特許第3328782(C1)号には、駆動シャフトが中空シャフト内部に同軸状に配置され、両シャフトが伝動装置によって一端で接続されたトルクシャフトとして働き、軸方向にずらされた2つのピニオンが中空シャフト上に配置された同方向回転ツインスクリュ押出機用の伝動装置が記載されている。独国特許第2628387号および国際出願第PCT/JP93/01039号による伝動装置も、スクリュシャフトを同方向に回転させるためにのみ利用可能である。
いずれにせよ、スクリュシャフトには、伝動装置の出力シャフトを通じて可能な限り最高のトルクが提供されなければならない。所与の中心距離であるとき、加工部におけるスクリュ内径(Di)に対するスクリュ外径(Da)の比は、可能な限り大きいように選択されるべきであり、出力シャフトの直径は、最大の許容ねじり応力で必要な限り小さいように選択されるべきである。
噛合する、特に、密に噛合するスクリュシャフトの駆動には、同軸状に駆動される加工部内のスクリュシャフトの軸方向クリアランスを、スクリュ側面を機械的に接触させることなく可能な限り小さく選択できるように、すべての負荷条件下で出力シャフトが同一の幾何学的出力角位置にあることがさらに必要とされる。
ツインスクリュ押出機と比較すると、円に沿って等しい中心角度間隔で配置された軸方向において平行な複数のシャフトを備えた多軸押出機には、1つのシャフトのスクリュなどの加工要素から次への移送時に製品が特に有効に加工されるウェッジの数が2倍であるという利点がある。
独国特許第10315200(B4)号には、請求項1の前提部に記載の同方向回転シャフトを備えたこのような多軸押出機用の伝動装置が既に開示されている。軸方向にずらされた出力ピニオンと噛合する2つの太陽歯車が設けられた中心駆動シャフトが設けられている。性能を高めるために、入力ピニオンが中空内歯歯車とさらに噛合しており、該中空歯車には外側駆動シャフト上の駆動歯車が噛合する外歯が設けられ、それにより各中空歯車が同じトルクで駆動されるとともに各出力ピニオンのトルクが太陽歯車を介しかつ中空歯車を介して半分だけ導入されるようにされている。
公知の伝動装置は、通常の場合、特に同方向に回転するスクリュシャフトを用いると有用であることが分かっている。しかしながら、これらの装置は、加工部において過度の摩耗を示し、あるいは過度のクリアランスが必要であり、それゆえ不経済な仕組みであるために、これらの装置ではより大きい回転速度および/またはトルクを実現することができない。
本発明の目的は、密に噛合する加工要素を備えた高い潜在性能を有する多軸押出機用の伝動装置を提供することである。
これは、本発明によれば、請求項1に特徴付けられる伝動装置によって達成される。本発明の有利な実施形態が、従属請求項に記載されている。
本発明の伝動装置は、該伝動装置において力が平衡するように配置され、最適には部分円上の加工部においても閉じた円に配置された、密に噛合して同方向または反対方向に回転するシャフトを備えた多軸押出機用の1つまたは複数のモータを備えた駆動装置に適している。
本発明の伝動装置においては、加工部から離れる方へずらされた出力ピニオンが係合する太陽歯車が、中空トルクシャフトに回転不能に接続され、加工部の方へずらされた出力ピニオンが係合する太陽歯車が、中空トルクシャフト内部にこれと同軸状に配置された内側トルクシャフトに回転不能に接続される。
中空トルクシャフトおよび内側トルクシャフトは、出力シャフトの長さが異なることによって生じるねじり回転角の差が、中空トルクシャフトの内側トルクシャフトとは異なるねじりによって補償されるように設計される。つまり、出力シャフトの異なるねじりは、中空トルクシャフトの内側トルクシャフトとは異なるねじりによって補償される。出力シャフトのねじりの差は、出力シャフト間隔が小さいために出力シャフトを細い構成にしなければならないので、特に顕著である。
中空トルクシャフトの内側トルクシャフトとは異なるねじりは、例えば、中実シャフトとして構成されるのが好ましい内側トルクシャフトの円形断面に対して中空トルクシャフトが円環形断面であることによって調節することができる。
このため、隣り合うシャフトの角同期位置が、部分負荷時だけでなく空および全負荷時においても、伝動装置の極めて高い性能で確保され、それにより、密に噛合する加工要素の場合であっても摩耗が防止される。
加工部のシャフトにはめられた加工要素は、スクリュまたは類似の搬送要素であり得るが、混練ブロックや搬送方向が反対のスクリュ要素などでもあり得る。
本発明の伝動装置は、加工部においてシャフトを同方向に回転させることにも、隣り合うシャフトが反対方向に回転する加工部にも適している。同方向に回転するシャフトであれば、中空トルクシャフトおよび内側トルクシャフトは、このために同一の回転方向に等しい角速度で駆動可能であり、反対方向に回転するシャフトであれば、中空トルクシャフトおよび内側トルクシャフトは、反対の回転方向に等しい角速度で駆動可能である。
反対方向に回転するシャフトの場合、同方向に回転するシャフトの場合よりもかなり多い材料で、より大きな圧力が加工要素間に生じる。このため、反対方向に回転するシャフトの場合には同等の歩留まりのシャフト間に著しくより大きな押し広げ力が発生し、ひどい摩耗を引き起こすことになる。したがって、反対方向に回転するシャフトを備えたツインスクリュ押出機の歩留まりは、同方向に回転するシャフトを備えたツインスクリュ押出機のものよりも何倍も低い。一方、反対方向に回転する押出機は、ある特定の(例えば高分散の)加工作業あるいはナノ粒子強化プラスチックにとって必須である。
しかしながら、円に沿って配置された複数のシャフトを備えた押出機においては、隣り合うシャフト間の押し広げ力が互いに大きく打ち消し合う。このため、本発明の伝動装置を備えた多軸押出機は、反対方向に回転するシャフトであっても、高い回転速度ひいては歩留まりで動作させることができる。
多軸押出機用の伝動装置の出力シャフトは、間隔が小さいため、適宜に小さい直径に構成されなければならない。このため、出力シャフトには極度に負荷がかけられる。したがって、出力シャフトに横力が作用しないときにのみ、高いトルクを達成可能である。よって、加工部に面する出力ピニオンと加工部から離れる方に面する出力ピニオンとの両方が、太陽歯車だけでなく太陽歯車と同軸の中空内歯歯車にも係合していることが好ましく、そのことにより、両出力ピニオンは、太陽歯車によるのと同じトルクで中空内歯歯車によって駆動される。これにより、出力ピニオンに作用する半径方向力が互いに打ち消し合う。
等しい動力での太陽歯車および中空内歯歯車の駆動は、様々な方法で実現可能である。例えば、対応する電子制御を備えた2つの別個のモータが、太陽歯車と中空内歯歯車とを等しい動力で駆動することができる。さらに、トルクを太陽歯車と中空内歯歯車とに半分ずつ分配するために、太陽歯車と内歯歯車との間に機械的調整を設けることができる。このようにして、特定の場合に供給される動力または対応するトルクを、内部および/または外部から、軸方向にずらされた出力ピニオンに比例分割することができる。
ゼロ点位置決めは、多段階的に行われ、まずはピニオンシャフト自体の内部に定められ、そして、加工部から離れる方または加工部の方へずらされた2つの歯車セットであって、自由端に配置された、同時にそれぞれがトルクの半分を共用する中空トルクシャフトおよび内側トルクシャフトを介して機械的に接続された歯車セット内に定められる。
同方向に回転するシャフトの場合は、減速歯車段を通じてまたは介してこれを行うことができ、反対方向に回転するシャフトの場合は、逆転伝動装置を用いて接続されかつ/または1つもしくは2つのモータによって協調して駆動される、減速段としての2つの歯車を介して行うことができる。
ピニオンシャフトの駆動が同時減速段としての外歯付き中空内歯歯車を介して同時に行われるのであれば、モータが1つの駆動装置の場合は、モータと各減速段との間に、トルクを分割しそれに応じて伝達することができるトルクシャフトが設けられる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明を例示的にさらに詳しく説明する。図面には以下が示される。
押出機の加工部の搬送上流部分の縦断面図である。 図1の線II−IIに沿った断面図である。 逆転伝動装置でシャフトを反対方向に回転させるための、1つまたは複数のモータ用の伝動装置の第1の実施形態の縦断面図である。 図3の線IV−IVに沿った断面図である。 反対方向に回転するシャフト上の3つの互いに噛合する搬送要素の、図2に比べて拡大された図である。 反対方向に回転するシャフトおよび2つの反対方向に回転する駆動モータ用の、またはシャフトを同方向に回転させるための1つのモータの回転方向の逆転を利用した伝動装置の別の実施形態の縦断面図である。 図6の線VII−VIIに沿った断面図である。 減速伝動装置を介してシャフトおよび2つの駆動モータを同方向に回転させるための伝動装置の第1の実施形態の縦断面図である。 1つの駆動モータと1つの減速伝動装置とでシャフトを同方向に回転させるための伝動装置のさらなる実施形態の縦断面図である。
図1および図2によると、押出機の加工部1は、コア2bを備えたハウジング2内に、円(図2)に沿って等しい中心角度間隔で配置されかつ加工要素4が装着された軸方向において平行な12本のシャフト3を有し、隣り合うシャフト3の加工要素4は互いに噛合している。
加工部1は、搬送上流側においてエンドプレート5で閉じられている。シャフト3は、エンドプレート5を貫通し、図3および図4ならびに図6〜図9に係るトルク分割伝動装置7によって同方向または反対方向に回転駆動される。
図3に係る伝動装置7は、加工部1のエンドプレート5に接続されたプレート9を有する。プレート9から、加工部1の12本のシャフト3に同軸状に回転不能に接続された12本の出力シャフト11が延出する。出力シャフト11は、出力ピニオン12、13に回転不能に接続される。出力シャフト11間の中心距離が小さいため、隣り合うシャフト11の出力ピニオン12、13は、軸方向にずらして配置されている。つまり、ピニオン12は加工部1の方へずらして配置され、ピニオン13は加工部1から離れる方へずらして配置されている。出力シャフト11は14、15、16および17で回転可能に取り付けられている。
ピニオン12は、加工部1の方に軸方向にずらされた太陽歯車18と噛合し、ピニオン13は、加工部1から離れる方に軸方向にずらされた太陽歯車19と噛合する。太陽歯車19は、中空トルクシャフト21に回転不能に接続され、太陽歯車18は、中実シャフトとして構成されかつ中空シャフト21内部にこれと同軸状に配置された内側トルクシャフト22に、回転不能に接続されている。
中空トルクシャフト21および内側トルクシャフト22は、それぞれ、加工部1から離れる方に面する端部に歯車23、24を備えている。歯車23は、伝動装置7のモータ(図示せず)によって駆動される駆動シャフト26上に非回転状態に配置されたピニオン25と噛合する。歯車23は、歯車24を駆動し、それにより、一方では加工部1に面する太陽歯車18とこれに係合する出力ピニオン12とが、他方では加工部1から離れる方に面する太陽歯車19とこれに係合する出力ピニオン13とが、反対の方向に回転するように、中空トルクシャフト21と内側トルクシャフト22とを反対方向に回転駆動する。
歯車23と歯車24との間には、歯車24と噛合しかつシャフト27’’上に歯車27’と共に座着した歯車27と、さらには、軸方向において平行なシャフト30’’上の歯車30および30’とを有する逆転伝動装置が設けられており、そのことによって、歯車27’と歯車30および歯車23と歯車30’が相互に係合している。第2の駆動モータをシャフト27’’に接続することができる。
出力シャフト11の加工部1に面する端部とピニオン13との間の長さL2は、出力シャフト11の加工部1に面する端部とピニオン12との間の長さL1よりも実質的に大きい。このため、L2対L1の比率は、例えば約1.5〜2.5であり得る。
この結果、ピニオン12を備えた出力シャフト11の加工部1に面する端部における回転角は、ピニオン13を備えた出力シャフト11とは異なる。このことにより、伝動装置7によって駆動される際、特に全負荷時、すなわち出力シャフト11への高いトルクつまりねじりモーメントの印加時に、押出機の加工部1の隣り合うシャフト3上の加工要素4が回転角同期位置になることが防止される。
したがって、本発明によると、中空トルクシャフト21および内側トルクシャフト22は、中空トルクシャフト21が太陽歯車19と歯車23との間で受けるねじりよりも大きいねじりを内側トルクシャフト22が太陽歯車18と歯車24との間で受け、それが、実際に、ピニオン13を備えた出力シャフト11のより大きいねじりがピニオン12を備えた出力シャフト11のねじりに対して補償される、すなわち、出力シャフト11の長さL1、L2が異なることによって生じる異なるねじり回転角が中空トルクシャフト21の内側トルクシャフト22とは異なるねじりによって補償される程度であるように、構成される。
このため、本発明によると、特に反対方向回転の場合であっても、非常に高い性能を備えた多軸押出機が提供される。ツインスクリュ押出機とは違って、多軸押出機のシャフトが受ける押し広げ力は、図5から分かるように、加工要素間の相互の力平衡により、かなり小さい。
図5では、押出機の加工部1における反対方向に回転するシャフト3−1、3−2および3−3の回転方向を矢印P1、P2およびP3で示し、矢印M1およびM2によって示すように、加工要素4−1、4−2および4−3の間に材料の供給を生じさせている。図示から分かるように、これにより、材料の供給M1がシャフト3−1および3−2に横向きに及ぼす力、すなわち、シャフト3−1および3−2を押し広げようとする力は、シャフト3−2および3−3間への材料の供給M2がシャフト3−2に及ぼす力によってシャフト3−2上で大きく打ち消される。図5においてシャフト3−2の例によって示されていることは、多軸押出機の他のすべてのシャフト3に当てはまる。このように、本発明の押出機は、反対方向回転であっても非常に高い歩留まりを有する。
図6および図7に係る実施形態においては、中空トルクシャフト21と内側トルクシャフト22、ひいては出力ピニオン13を備えた出力シャフト11と出力ピニオン12を備えた出力シャフト11とが、同様に、反対の回転方向に駆動される。
出力ピニオン12および13は、ここでは、太陽歯車18、19だけでなくそれぞれ中空内歯歯車28、29にも係合している。このため、ピニオン12、13は、太陽歯車18、19とこれに半径方向に向かい合って取り囲む中空内歯歯車28、29との両方によって駆動され、中空歯車28、29はこのために軸方向に相応にずらして配置される。
各中空歯車28、29には、外側駆動シャフト33、34上の駆動外歯歯車31、32が噛合する外歯が設けられている。中空歯車28、29の周囲にずらして配置された複数(例えば4つ)の外側駆動シャフト33、34をそれぞれ設けることも可能である。
中空トルクシャフト21にはその駆動のために歯車35が設けられ、内側トルクシャフト22には歯車36が設けられている。
歯車35は、第1のモータ(図示せず)によって駆動される第1の駆動シャフト38上に非回転状態に座着したピニオン37と係合している。同時に、ピニオン37は、駆動歯車32を介して中空歯車29を駆動するために外側駆動シャフト34上に非回転状態に配置された歯車39と係合している。
一方、歯車36は、第2のモータ(図示せず)によって駆動される第2の駆動シャフト42上に非回転状態に座着したピニオン41と係合している。同時に、ピニオン41は、駆動歯車31を介して中空歯車28を駆動するために外側駆動シャフト33上に非回転状態に配置された歯車40と係合している。
図6および図7に係る伝動装置では、中空トルクシャフト21と内側トルクシャフト22とを反対の回転方向ではなく同一の回転方向に駆動することも可能である。このためには、駆動シャフト38および42を、同一の回転方向ではなく反対の回転方向に回転させるだけでよい。
これに対して、図8に係る実施形態においては、中空トルクシャフト21と内側トルクシャフト22とが同一の回転方向にのみ駆動可能である。
ここでは、中空トルクシャフト21は、加工部1から離れる方に面する端部において、歯車43に回転不能に接続される。さらに、加工部1から離れる方に面する端部において、中空トルクシャフト21と内側トルクシャフト22との間が回転不能に接続される。このために、内側トルクシャフト22の端部に、中空トルクシャフト21に回転不能に接続された歯車43にスクリュボルト45で固定されたフランジ44が設けられている。
歯車43は、1つまたは2つのモータ(図示せず)によって駆動される駆動シャフト48、49上に座着したピニオン46、47と噛合する。
図9に係る実施形態は、同様に、同方向回転動作、すなわち、中空トルクシャフト21と内側トルクシャフト22とが同一の回転方向に駆動される伝動装置を目的としている。
図8に係る実施形態と同様に、中空トルクシャフト21は、ここでは、加工部1から離れる方に面する端部において歯車43に回転不能に接続され、中空トルクシャフト21を内側トルクシャフト22に接続するために、内側トルクシャフト22の端部に、中空トルクシャフト22に回転不能に接続された歯車43に非回転状態に固定されたフランジ44がここでもまた設けられる。
出力ピニオン12、13に作用する半径方向力を取り除くために、図9に係る実施形態では、図6に係る実施形態に従って、内部でピニオン12、13がさらに噛合する中空内歯歯車28、29と、さらに、中空歯車28、29の外歯と噛合する外側駆動シャフト33、34上の駆動歯車31、32とが設けられている。
しかしながら、図6に係る実施形態とは異なり、モータ(図示せず)によって駆動される駆動シャフト38が1つしか設けられていない。
このために、該1つの駆動シャフト38上に座着したピニオン51が、一方では歯車43と噛合し、他方では外側駆動シャフト34(これを介して、出力ピニオン13が係合する中空内歯歯車29が駆動される)上の歯車52と噛合する。
同時に、歯車43は、外側駆動シャフト33(これを介して、出力ピニオン12が係合する中空内歯歯車28が駆動される)上のピニオン40と噛合する逆転伝動装置53と係合している。
欧州特許第0962298号 国際公開第2007/093228(A1)号 欧州特許第995580(B1)号 独国特許第3328782(C1)号 独国特許第2628387号 国際出願第PCT/JP93/01039号
1 加工部
2 ハウジング
2b コア
3 シャフト
4 加工要素
5 エンドプレート
7 トルク分割伝動装置
9 プレート
11 出力シャフト
12 出力ピニオン
13 出力ピニオン
18 太陽歯車
19 太陽歯車
21 中空トルクシャフト
22 内側トルクシャフト
23 歯車
24 歯車
25 ピニオン
26 駆動シャフト
27 シャフト
28 中空内歯歯車
29 中空内歯歯車
30 シャフト
30 歯車
31 駆動外歯歯車
32 駆動歯車
33 外側駆動シャフト
34 外側駆動シャフト
35 歯車
36 歯車
37 ピニオン
38 駆動シャフト
39 歯車
40 ピニオン
41 ピニオン
42 駆動シャフト
43 歯車
44 フランジ
45 スクリュボルト
46 ピニオン
48 駆動シャフト
51 ピニオン
52 歯車
53 逆転伝動装置

Claims (11)

  1. 軸方向において平行な複数のシャフト(3)を備え、該シャフトは、円に沿って等しい中心角度間隔で配置されているとともに隣り合うシャフト(3)が互いに噛合する加工要素(4)に回転不能に接続されている加工部(1)を有する押出機を駆動するための伝動装置であって、
    該伝動装置(7)は前記加工部(1)の前記シャフト(3)に同軸状に回転不能に接続された出力シャフト(11)を有し、
    各出力シャフト(11)は出力ピニオン(12、13)を有し、隣り合う出力シャフト(11)は、それらの出力ピニオン(12、13)が軸方向にずらされることにより、前記加工部(1)に面する端部と前記出力ピニオン(12、13)との間の長さ(L1、L2)が異なり、
    前記加工部(1)の方または離れる方へずらされた前記出力ピニオン(12、13)はそれぞれ1つの太陽歯車(18、19)と係合し、
    各太陽歯車(18、19)は駆動シャフトに接続された伝動装置において、
    前記加工部(1)から離れる方へずらされた前記太陽歯車(19)を備えた前記駆動シャフトが、中空トルクシャフト(21)によって形成され、
    前記加工部(1)の方へずらされた前記太陽歯車(18)を備えた前記駆動シャフトが、前記中空トルクシャフト(21)内部に配置された同軸の内側トルクシャフト(22)によって形成され、
    前記中空トルクシャフト(21)および前記内側トルクシャフト(22)は、前記出力シャフト(11)の長さ(L1、L2)が異なることによって生じるねじり回転角の差が前記中空トルクシャフト(21)および前記内側トルクシャフト(22)の異なるねじりによって補償されるように構成されていることを特徴とする伝動装置。
  2. 前記中空トルクシャフト(21)および前記内側トルクシャフト(22)が、同一または反対の回転方向に等しい角速度で駆動可能であることを特徴とする請求項1に記載の伝動装置。
  3. 同一の回転方向に駆動可能な前記中空トルクシャフト(21)および内側トルクシャフト(22)が、前記加工部(1)から離れる方に面する端部に、共通の歯車(43)またはそれぞれ1つの歯車(35、36)を備えることを特徴とする請求項2に記載の伝動装置。
  4. 共通の歯車(43)を備えた前記中空トルクシャフト(21)および内側トルクシャフト(22)が、前記加工部(1)から離れる方に面する端部において、非回転状態に相互接続されることを特徴とする請求項3に記載の伝動装置。
  5. 前記共通の歯車(43)が、前記中空トルクシャフト(21)に非回転状態に接続され、前記内側トルクシャフト(22)が、前記歯車(43)に回転不能に接続されたフランジ(44)を有することを特徴とする請求項4に記載の伝動装置。
  6. 反対の回転方向に駆動可能な前記中空トルクシャフト(21)および内側トルクシャフト(22)が、それぞれ1つの歯車(23、24;35、36)を備えることを特徴とする請求項2に記載の伝動装置。
  7. 前記加工部(1)に面する前記出力ピニオン(12)と前記加工部(1)から離れる方に面する前記出力ピニオン(13)とが、それぞれ、前記太陽歯車(18,19)と同軸の中空内歯歯車(28、29)とのいずれとも係合していることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の伝動装置。
  8. トルクが、前記太陽歯車(18、19)または前記太陽歯車(18、19)と前記中空内歯歯車(28、29)とによって、前記出力ピニオン(12、13)のうち前記加工部(1)に面するものと前記加工部(1)から離れる方に面するものとに、比例分割されて供給されることを特徴とする請求項1または7に記載の伝動装置。
  9. 前記加工部(1)の前記シャフト(3)に接続された前記出力シャフト(11)の端部におけるゼロ点位置決めが、形態拘束または力拘束によって機械的および/または電気的に調整されるようになっていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の伝動装置。
  10. 同一の回転方向に駆動可能な出力シャフト(11)の場合に、機械的なトルク分割が電気シャフトを介して調整されるようになっていることを特徴とする請求項2および8に記載の伝動装置。
  11. 前記加工部(1)に面する前記出力ピニオン(12)と前記加工部(1)から離れる方に面する前記出力ピニオン(13)とが、それぞれ1つのモータを介して駆動されることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の伝動装置。
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