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Die
Erfindung betrifft einen Einspritzschneckenantrieb für eine Kunststoffspritzgieß maschine.
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Beim
Kunststoffspritzen werden mehrere aufeinanderfolgende Abläufe unterschieden.
Durch einen Einfülltrichter
wird Kunststoff in den Einspritzzylinder gespeist. Die rotierende
Einspritzschnecke erfasst das Rohmaterial durch die Schneckengänge und
bewegt dieses im geheizten Einspritzzylinder vorwärts. Die
rotative Bewegung der Schneckengänge
fördert
den Kunststoff immer weiter zur Spitze der Einspritz-schnecke. Primär durch
die Geometrie der Schnecke bzw. durch entsprechende Scherwärme wird
das Rohmaterial aufgeschmolzen und kommt als Schmelze in einem Sammelraum
unmittelbar vor der Düse
an. Als Näherungswerte
gelten, dass die Schmelzwärme
zu einem großen
Teil aus mechanischer Arbeit zwischen Einspritzschnecke und Zylinderwandung
und der Rest durch die Mantelheizung aufgebracht wird. Die Schmelze
staut sich bei fortgesetzter Drehbewegung der Schnecke im Sammelraum
und schiebt die Einspritzschnecke durch Volumenvergrößerung im
Sammelraum in ihrer Achsrichtung rückwärts. Ist die für einen
Schuss benötigte Menge
an flüssigem
Kunststoff im Sammelraum bereit, wird der Schneckendrehantrieb gestoppt.
Die an der Spitze der Schnecke angebrachte Rückstromsperre wird durch die
Vorwärtsbewegung
geschlossen. Die Einspritzschnecke übernimmt nun die Funktion eines
Einspritzkolbens. Zum Einspritzen der Kunststoffmasse in die Form
tritt im klassischen Stand der Technik eine Hydraulik in Aktion,
welche in der Folge auch Kolbenantrieb genannt wird. Der Kolbenantrieb
stößt die ganze
Schnecke als reine Axialbewegung nach vorn. Die Einspritzschnecke,
nunmehr als reiner Kolben wirkend, spritzt die Schmelze durch die
Düse in
die Kavitäten
der Form. Das Einspritzen selbst erfolgt in zwei Phasen. Die erste
Phase ist das eigentliche Füllen.
Der erforderliche Druck kann gegen das Ende der Füllphase
bis in den Bereich von 2000 bar ansteigen. Nach dem Füllen schließt die Phase
des Nachdruckes an, wobei der Enddruck der Füllphase etwa gehalten wird.
Für die Sicherstellung
der beschriebenen Abläufe
beim Kunststoffspritzen sind zwei grundverschiedene Antriebsarten
Voraussetzung:
- – der axiale Antrieb der Plastifizierschnecke
im Sinne eines Kolbens
- – der
rotative Antrieb der Plastifizierschnecke im Sinne einer Förderschnecke
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Es
war in der Vergangenheit naheliegend, den Kolbenantrieb hydraulisch
und den rotativen Antrieb elektromotorisch auszuführen. Die
spezifischen Vorteile der zwei unterschiedlichen Abtriebsformen können optimal
ausgenutzt werden. Bei hydraulischen Zylindern wird für eine Linearbewegung
die größtmögliche lineare
Verschiebekraft ohne Umformung erzeugt. Bei elektromotorischen Antrieben
wird dagegen eine rotative Kraft erzeugt und steht als solche mit
entsprechender Getriebeuntersetzung zur Verfügung.
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Die 1 und 2 zeigen
zwei typische Lösungen
des Standes der Technik. Die 1 zeigt eine
hydraulisch/elektrisch kombinierte, und die 2 eine sogenannte
elektrische Lösung.
In der 1 wird die Axialbewegung von einem hydraulischen
Kolben und die Rotation durch die Drehachse eines Motores betätigt.
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Ein
anderer Weg wurde mit der
EP
451 294 A1 gegangen. Für
die Einspritzbewegung der Schnecke wird ein reiner Kurbeltrieb mit
einer Kurbel oder Kniehebelsystem zwischen einer ortsfesten Platte, sowie
einer zu dieser hin- und von dieser fortbewegbaren Platte vorgeschlagen.
Die eine Kurbel ist vorgesehen zum Umsetzen einer Vorwärts- und
einer Rückwärtsdrehung
der Antriebsachse in eine Hin- und Herbewegung der Einspritzförderschnecke.
Der Antrieb bzw. Übertrieb
für die
Axialbewegung der Einspritzschnecke wird als Stoßkraft zwischen der ortsfesten
Platte und der Förderschnecke
ausgenutzt. Es ist der Anmelderin nicht bekannt, ob eine Lösung gemäß
EP 451 294 (entspricht
DE 690 18 063 T2 in
die Praxis umgesetzt wurde. Die Druckschrift richtet sich ausschließlich auf
den speziellen Einsatz eines Kurbelantriebes für die Einspritzförderschnecke.
Dabei wurde erkannt, dass es schwierig sein kann, wenn eine Kurbel
in Nullpunktnähe
betrieben wird. Die Null- oder Totpunktnähe soll bei der vorgeschlagenen
Anwendung bei Einspritzschnecken vermieden werden.
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Die
EP 427 438 A1 zeigt
als weitere Möglichkeit
die Kombination eines Kniehebelsystems mit einem Zahnstangenantrieb
für die
Formbewegung. Ein entsprechender Einsatz für den Axialantrieb der Einspritzschnecke
ist nicht bekannt geworden. Interessant ist jedoch der Vorschlag
eines eigentlichen Zahnstangengetriebes mit angeflanschtem Antriebsmotor.
Wie in der fachtechnischen Umgangssprache wird in der Folge ein
einzelner motorischer Antrieb als einzelne "Achse" im Sinne der Motorachse verstanden.
Demgemäss
schlägt
die
EP 427 438 A1 für die eine
Achse der Formbewegung einen Zahnstangenantrieb vor. Solche Zahnstangengetriebe
haben in der Praxis eine beachtliche Verbreitung für den Antrieb
der beweglichen Form gefunden.
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In
der
DE 39 37 099 A1 ist
ein gattungsgemäßer Einspritzschneckenantrieb
für eine
Kunststoffspritzgießmaschine
mit je einer Antriebsachse für
die rotative und für
die axiale Bewegung offenbart, wobei das Getriebe für die rotative
Bewegung und das Getriebe für
die axiale Bewegung integriert in einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet
ist. Die Einspritzschnecke ist als Teil einer Spritzeinheit mit
dem Einspritzzylinder mittels einer weiteren Antriebsachse verschiebbar
auf dem Ständer
der Kunststoffspritzgießmaschine
angeordnet. Dabei wird die jeweilige Bewegung mittels eines einzigen
Antriebs erzeugt.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Konzept für den axialen
und rotativen Antrieb für
die Einspritzschnecke zu entwickeln.
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Der
die vorgenannte Aufgabe lösende,
erfindungsgemäße Einspritzschneckenantrieb
ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.
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Ziel
war es, aus der Vielzahl der bekannten Lösungen gleichsam die besten
Bauteile für
eine ökonomische
Herstellung zu kombinieren, um für zwei
die Einspritzschneckenbewegungen ein baulich optimales Antriebskonzept
zu schaffen.
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Die
neue Lösung
schlägt
vor allem zweierlei vor:
- – einen Zahnschienenantrieb
im Rahmen
- – ein
Doppelantriebsgetriebe.
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Wie
in der Folge noch ausgeführt
wird, gestattet die neue Lösung
zwei unterschiedliche Ausführungswege.
Beiden gemeinsam ist die direkte Zuordnung von zwei unterschiedlichen
Getrieben, wobei ein Antrieb als Zahnschienenübertrieb ausgebildet ist und
die Wirkachsen der beiden mit der Achse der Einspritzschnecken bzw.
einer Verlängerung
derselben zusammenfallen.
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In
der erfindungsgemäßen Ausführung ist das
Getriebe für
die rotative Bewegung und das Getriebe für die axiale Bewegung integriert
in einer gemeinsamen Baugruppe integriert. Wie noch gezeigt wird,
gestattet dieser Lösungsweg
eine unerwartete Kompaktheit, gerade weil zwei Antriebsachsen einem
einzelnen Getriebe zugeordnet werden, was zumindest in der gängigen industriellen
Praxis wenig üblich
ist. Von einem Getriebe wird vielmehr erwartet, dass von einem motorischen
Antrieb bzw. einer Achse ein oder viele Abtriebe vorgesehen werden.
Der Antrieb der Einspritzschnecke verlangt die zwei total unterschiedlichen
Antriebsarten (axial und rotativ).
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Die überraschenden
positiven Effekte werden nun an Hand von besonders vorteilhaften
Ausgestaltungen erläutert.
Die Zahnschiene wird im Abstand und parallel zu einer gedachten
Verlängerung der
Drehachse der Einspritzschnecke angeordnet, wobei bevorzugt zwei
Zahnschienen symmetrisch je im Abstand und parallel zu der Drehachse
der Einspritzschnecke und mit der Zahnprofilierung nach außen gerichtet
angeordnet werden.
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Die
EP 427 438 war gleichsam
behaftet mit der Vorstellung der Verwendung einer runden Stange bzw.
Stoßstange.
Damit konnte aber der Einsatz für die
Spritzseite nicht erkannt werden bzw. war blockiert, da es zumindest
gedanklich schwer vorstellbar ist, die Zahnstange zu durchbohren,
um einen weiteren Antrieb durch die Stange hindurch vorzusehen. Bei
der bevorzugten Ausgestaltung der neuen Lösung wird zwischen den zwei
Zahnschienen die rotativ angetriebene Schneckenwelle durchgeführt. Die zwei
Zahnschienen können
in einem größeren Profil eingearbeitet
werden, oder aber die beiden werden sinnvoll verbunden, derart,
dass dazwischen der Raum für
den rotativen Übertrieb
bleibt.
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Vorteilhafterweise
wird die Dreh- und Verschiebemechanik als kompakte Baugruppe ausgebildet
und in einem zur Einspritzschneckenachse ausgerichteten Führungsrohr
geführt.
Die Zahnschienen werden abtriebsseitig über eine feste Verbindung über das
Gehäuse
des Schneckenkupplungsteiles gelagert. Das Schneckenkupplungsteil
seinerseits weist antriebsseitig je ein Axial- sowie Radiallager auf,
wobei das Gehäuse über ein,
zwei oder mehrere Führungsbänder in
dem Führungsrohr
gelagert ist. Der rotative Antrieb erfolgt über eine Keilnabe sowie ein
Keilwelle, welche einerseits ineinander verschiebar und anderseits
mit einem Motorgetriebe verbunden sind. Die Keilwelle ist antriebsseitig
in dem Getriebe gelagert und für
die erforderliche Hublänge
in einer Keilnabe gleitfähig
geführt.
Die Keilnabe ist auf der anderen Seite über eine Hülse fest mit der Schneckenkupplung
verbunden. Die Keilnabe erstreckt sich mit der Hülse im wesentlichen über die nutzbare
Länge der
Zahnschienen. Die Keilwelle an sich liegt fluchtend mit der Schneckenwellenachse. Die
Hülse und
die Zahnstangen sind dazu koaxial angeordnet. Die Grundfunktion
der Einspritzschnecke verlangt eine Längsverschiebung bzw. einen
je nach Größe des zu
spritzenden Teiles zu bestimmenden Hubes, bei einer größeren Maschine
von z.B. 20 cm. Durch das Ineinandersetzen der beiden Triebe, der Zahnschiene
sowie der Keilwelle, wird nur ein Minimum an Baulänge benötigt. Der
zweite Lösungsweg baut
deshalb sehr kurz. Die Zahnschienen werden an der der Einspritzschnecke
abgewandten Endseite über
einen Abschlussflansch mit einem Führungsband in dem Führungsrohr
geführt.
Mit den beschriebenen Ausgestaltungen lässt sich das kombinierte Getriebe
extrem kompakt gleichsam in ein Stück Rohr schieben, kann zentralgeschmiert
und allseits gegen Schmiermittelaustritt leicht abgedichtet werden,
und gibt im Hinblick auf eine Reinraumtechnik eine ideale Voraussetzung.
Bevorzugt werden die zwei Zahnschienen als Doppelzahnschienen mit
je eigenem Antriebsritzel, Getriebe sowie Antriebsmotor, insbesondere
AC-Servomotoren ausgebildet. Den Antriebsmotoren werden über eine
entsprechende Leistungselektronik Rechner- bzw. Steuer-/Regelmittel
zugeordnet, um die Bewegung insbesondere auch die Antriebsmomente
vollständig
auszugleichen.
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Die
Antriebsmotoren werden mit ihren Achsen in Bezug auf den Einspritzschneckenantrieb
bevorzugt nach oben abstehend angebaut. Dies erlaubt, die ganze
Maschine kurz und kompakt zu bauen, zumindest soweit es das Spritzaggregat
betrifft. Die ganze Spritzeinheit ruht, wie an sich bekannt, über Führungsschienen
verschiebbar, auf dem Maschinenständer. Für die Verschiebebewegung des ganzen
Aggregates wird vorzugsweise ein weiteres Antriebskonzept vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nun an Hand einer Gegenüberstellung des Standes der
Technik sowie einiger Ausführungsbeispiele
mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es zeigen:
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die 1 und 2 zwei
Ausgestaltungen des Standes der Technik;
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die 3a und 3b je
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen Doppelantriebes mit einem,
bzw. zwei Antriebsmotoren für
die Axialbewegung;
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die 4 einen
Längsschnitt
IV-IV der 3a;
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die 5a und 5b den
Hub bzw. die Axialbewegung basierend auf einem Zahnschienenübertrieb;
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die 6 ein
Schnitt VI-VI der 4.
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Die 1 zeigt
schematisch als Stand der Technik gleichsam ein Schulbeispiel für die Spritzseite
einer Spritzgießmaschine.
Das Herzstück
ist ein Einspritzzylinder 1, in den über einen Einfülltrichter 2 Rohmaterial 3,
meistens in Granulatform gespeist wird. In dem Einspritzzylinder 1 befindet
sich eine Förderschnecke
bzw. Einspritzschnecke 4, welche auf der rechten Seite
in einer Lagerstelle 5 gelagert ist. Die rotative Bewegung
der Einspritzschnecke wird von der Achse A1 über einen Zahnräderersatz 6, und
die axiale Einspritzbewegung (Achse A2) über einen Hydraulikkolben 7 erzeugt,
welcher in einem Hydraulikzylinder 8 um einen Axialverschiebeweg bewegbar
ist. Der Axialverschiebeweg richtet sich nach der gewünschten
Schussmenge für
das Spritzen eines Teiles, bzw. der entsprechenden Menge bei Mehrfachformen.
Ganz links endet der Einspritzzylinder 1 mit einer Düse 10, über welche
die geschmolzene Kunststoffmasse 11 in die Kavitäten 38 der
zwei Formhälften 36, 37 gespritzt
wird. Der Einspritzzylinder 1 ist umgeben mit Heizpaketen 12.
Mit der Maßangabe
SpH ist der wählbare
Spritzhub eingezeichnet, wobei SptHmax. der maximale Spritzhub bedeutet.
Die Technologie des Spritzvorganges wird als bekannt vorausgesetzt.
Die für
die Hydraulik erforderliche "Peripherie" ist mit Bezugszeichen 9 nur angedeutet.
Die Bezugsziffer 13 markiert einen Druckaufnehmer (P) und
die Bezugsziffer 14 einen Geschwindigkeitsaufnehmer (VE).
Der Kolben 7 wird über
ein Servo- oder Proportionalventil 15 gesteuert. Die erforderlichen
Steuerimpulse werden von einem Regler 16 bzw. einer Maschinensteuerung 17 ausgegeben.
Die rotative Bewegung der Einspritzschnecke 4 wird von
einem Antriebsmotor 18 (als Achse A1 bezeichnet) betätigt. Die
axiale Bewegung wird durch den Hydraulikkolben 7 bzw. die
Kolbenstange 19 (Achse A2) ausgelöst. Ersichtlich sind die beiden Achsen
A1 und A2 vollständig
unabhängig
voneinander, haben aber als Gemeinsamkeit nur den selben Abtrieb,
auf das Kupplungsstück 20 für die Einspritzschnecke 4.
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Der
Grundaufbau des Einspritzzylinders 1 ist, soweit es den
Bereich der Förder-schnecke
betrifft für
die 1 und die 2 identisch.
Die Lösung der 2 zeigt
schematisch ein Beispiel einer rein elektrischen Lösung, wobei
zusätzlich
mit einem Motor 21 das ganze Einspritzaggregat für das Zu-
und Wegführen
der Düse 10 an
die Spritzform bewegt wird. Der Motor 18 (Achse A1) treibt
die Zahnräder 6' für die rotative
Bewegung der Förderschnecke,
und der Motor 22 die Zahnräder 23 sowie 24 an,
für die Kolbenbewegung
bzw: die Axialbewegung der Einspritzschnecke 4. Die Bewegungsübertragung
kann z.B. über
eine Welle 25 sowie Kugelspindel 26 erfolgen.
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Die 3a und 3b zeigen
in Perspektive zwei Beispiele für
die neue Lösung.
Ein Doppelantriebsgetriebe 30 ist auf einer Grundplatte 31 befestigt. Über eine
Achse A3 ist das ganze Einspritzaggregat 34 auf Schienen 32 verschiebbar
auf dem Maschinenständer 33 angeordnet,
für die
Düsenzustellung
an die auf einer festen Formträgerplatte 35 angeordnete
Form 36 sinngemäß zu 1.
Die in den 3a und 3b nicht
dargestellte Form 36 bildet zusammen mit einer beweglichen
Form 37 die Kavitäten 38 für die zu
spritzende Kunststoffform. Das Markante an der 3a sind
neben dem Doppelantriebsgetriebe 30, die Achsen A1 sowie
A2. Für
die Achse A2 sind zwei Motoren A2.1 und A2.2 vorgesehen. A2 entspricht
dem Antriebsmotor 18 der 1 und 2.
Der Antriebsmotor 18 ist – über ein Getriebe 40 mit
einem Abtrieb fluchtend mit der Schneckenachse 41 an dem
Getriebegehäuse 42 angeflanscht.
Als Achse A2 sind zwei identische Antriebsmotoren 43 und 44 ebenfalls über je ein
Getriebe 45 an dem Getriebegehäuse 42 angeflanscht.
Alle drei Motoren 18 sowie 43 und 44 haben
je eine senkrechte Motorwelle und erlauben dadurch eine sehr kurze Bauweise.
Der Einspritzzylinder 1 ist über einen Gehäuseblock 46 mit
der Grurdplatte 31 verbunden, so dass die Förderschnecke 4 über das
von außen
frei zugängliche
Kupplungsstück 20,
von dem Doppelantriebsgetriebe sowohl axial wie rotativ angetrieben werden
kann. Die Aktions- bzw. Reaktionskräfte werden primär über die
Grundplatte 31 geschlossen.
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Die 3b weist
nur einen Antriebsmotor 44 mit einem Getriebe 45' für den Antrieb
von zwei Zahnschienen 65 auf. Das Getriebe 45' hat entsprechend
zwei Abgänge.
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Die 4 sowie 5a und 5b zeigen ein
Beispiel für
ein Doppelantriebsgetriebe im Schnitt IV-IV der 3a.
In den 4 und 5a ist die rückwärtige Position der Einspritzschnecke
in einer Extremlage dargestellt, z.B. als Servicestellung oder Außerbetriebsstellung,
oder für
die maximal mögliche
Schneckenrückwärtsposition
bzw. für
das theoretisch größtmögliche Spritzteil,
bei maximaler Einspritzung der Kunststoffmenge 11 entsprechend
Sp H.max (1). Die 5b zeigt
die andere Extremlage, am Ende jedes Einspritzvorganges bzw. in
der Phase des Nachdruckes. Die Schneckenkupplung 20 ist über einen
Bund 50 und einen Wellenstummel 51, einem Stützbund 52 sowie
einer Schraubverbindung 53 mit einer Hülse 54 fest verschraubt
und am gegenüberliegenden
Ende über
eine Keilnabe 55 mit einer Keilwelle 56, und dem
Getriebe 40 für
die rotative Bewegung verbunden. Das Drehmoment auf die Förderschnecke
bzw. Einspritzschnecke 4 wird somit direkt von der Keilnabe 55 über Hülse 54 auf
das Kupplungsstück 20 übertragen,
unabhängig
der Position der Keilnabe 55 (mit der Länge l) in Bezug auf Keilwelle,
wie aus den 5a und 5b ersichtlich
ist. Der Wellenstummel 51 ist über zwei kräftige Radial/Axial Rollenlager 57 und 58 in
einer Lagerbüchse 59 gelagert.
Die inneren Ringe der beiden Lager 57, 58 sind über Stützringe 60, 60' zwischen den
Schultern 61 und 62 gehalten, mit der Klemmkraft
erzeugt durch die Hülse 54 und
Gewinde 53. Die äußeren Ringe
der beiden Lager 57/58 sind in Bohrungen der Lagerbüchse 59 mit
entsprechenden Schultern 63, 64 gehalten, derart,
dass der axiale Kraftfluss von der Einspritzschnecke 4 direkt über das
stärkere
Lager 57 und die Lagerbüchse 59 auf
die Zahnschiene 65 geleitet wird. Die Zahnschiene 65 ist über Sicherungsschrauben 66 starr
mit der Lagerbüchse 59 verbunden,
und am gegenüberliegenden
Ende über
einen Fixationsring 67 und dem inneren Lagerring des Lagers 57 gehalten.
Die Axialbewegung der Förderschnecke
bzw. die entsprechenden Aktions- und Reaktionskräfte werden ausgehend von den
beiden Motoren 43, 44, dem Getriebe 45 sowie
zwei Zahnritzeln 70, 70' über die zwei Zahnschienen 65, 65', die Lagerbüchse 59,
die Lager 57 sowie das Kupplungsstück 20 übertragen.
Das Kupplungsstück 20 und Wellenstummel 51 werden
somit von den zwei Achsen A1 sowie A2 (bzw. A2.1/A2.2) angetrieben.
Die beiden Hauptübertragungselemente,
Keilwellenübertrieb 72 sowie
Zahnschienenübertrieb 71,
erlauben die beiden Bewegungsarten (axial, rotativ) unabhängig zu
kontrollieren, und sind zusammengefasst in einem Getriebeblock 72,
welcher in einer zylindrischen Bohrung 73 eingebaut ist.
Damit eine vollständige Kraftsymmetrie
entsteht, ist die Achse A2 zweifach ausgeführt, mit zwei aufeinander abstimmbaren
Motoren, zwei Getrieben, zwei Zahnritzeln sowie zwei Zahnschienen.
Die Zahnschienen sind wie mit X-X angegeben ist, je parallel und
in gleichem Abstand zu der Schneckenachse 41 angeordnet.
Die Bezeichnung Doppelachsgetriebe betrifft die jeweiligen Achsen
A1 und A2 für
den rotativen sowie die axialen Bewegungen der Einspritzschnecke.
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Die 6 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch das Doppelantriebsgetriebe.
Die 6 zeigt deutlich die Symmetrie aller Antriebe
bzw. der Kraftübertragungen.
Der ganze Getriebeblock 72 ist über Führungsbänder 74 in der Bohrung 73 geführt (4)
und weist einen Abstreifer 75 auf, damit jeglicher Austritt
von Schmieröl
aus dem Getriebeinneren verhindert wird. Gemäß 6 sind die
Achsen 76 der beiden Zahnritzel senkrecht, was im Hinblick
auf die Raumnutzung Vorteile bringt. Die beiden Achsen sollen zueinander
parallel sein, können
jedoch schräg
oder horizontal liegen. Wenn in Richtung der Schneckenachse 41 nach
hinten genügend
Platz besteht, kann auch ein Motor 18 mit horizontaler
Achse angeordnet werden.