Vorrichtung zum Vernadeln einer Faserbahn

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vernadeln einer Faserbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 10 2005 012 265 Al bekannt.

Die bekannte Vorrichtung wird zur Verfestigung und Strukturierung von Faserlagen eingesetzt. Hierzu wird eine Faserbahn mit einer Vielzahl von Nadeln durchstoßen, die in einer oszillierenden Bewegung geführt sind. Bei dem Vorgang werden somit die Nadeln mit einer oszillierenden Vertikalbewegung geführt, um das Fasermaterial in der Faserbahn zu verfestigen. Bei diesem Vorgang wird die Fa- serbahn mit einem Vorschub stetig vorwärts bewegt, der vorzugsweise durch Walzen ausgeführt wird. Da die Nadeln nicht glatt sondern mit in Einstrichrichtung geöffneten Widerhäkchen versehen sind, werden beim Einstechen einzelne Faser erfasst und innerhalb der Faserlage umorientiert. Hierdurch wird ein Verfil- zungs- und Verfestigungseffekt erzielt. Um während des Eintauchens der Nadeln in der Faserbahn aufgrund des Vorschubes der Faserbahn keine ungewünschten Verformungen zu erhalten, die beispielsweise zu einem Verzug oder eine Langlochbildung im vernadelten Material führen, werden die Nadeln mit einer überlagerten Horizontalbewegung geführt, die überlagert zu der Vertikalbewegung stattfindet.

Bei der bekannten Vorrichtung wird sowohl die Vertikalbewegung als auch die Horizontalbewegung des Nadelbalkens durch ein Kurbeltriebwerk an dem Nadelbalken eingeleitet. Hierzu weist das Kurbeltriebwerk zwei Kurbelantriebe mit zwei angetriebenen Kurbelwellen auf. Durch eine Phasenverstelleinrichtung sind die Kurbelwellen in ihren Phasenlagen verstellbar ausgebildet. Je nach Phasenlage der Kurbelwellen zueinander ergibt sich somit eine ellipsenähnliche Bewegungsform, in welcher die oszillierende Bewegung des Nadelbalkens ausgeführt wird.

Um dabei möglichst ein stabiles Eintauchen der Nadeln in der Faserbahn zu erhalten, ist zusätzlich eine Führungseinrichtung vorgesehen, die an dem Nadelbalken angreift. Hierbei müssen jedoch einerseits die Vertikalbewegungen des Nadelbalkens als auch die Horizontalbewegung des Nadelbalkens ungehindert ausgeführt werden. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Führungseinrichtung durch eine Führungsstange gebildet, die in einer an einem Maschinengestell gehaltenen Führungsbuchse geführt ist. Die Führungsbuchse ist über ein Schwenklager schwenkbar am Maschinengestell gehalten, so dass je nach Phasenlage der Kurbelwellen eine Schrägstellung des Balkenträgers über das Schwenklager der Führungsein- richtung möglich ist. In Abhängigkeit vom Grad der Phasenverstellung ergeben sich somit unterschiedliche Schrägstellungen des Balkenträgers, die zu jeweils einer Horizontalbewegung mit bestimmten Hub führen. Hierbei ist die Führungsbahn des Balkenträgers durch die ortsfeste Lage des Schwenklagers der Führungseinrichtung bestimmt. Damit lassen sich nur relativ kleine Horizontalhübe ausführen, da ansonsten eine überhöhte Schrägstellung des Balkenträgers erreicht wird.

Im Stand der Technik sind grundsätzlich jedoch auch derartige Vorrichtungen bekannt, bei welcher die Vertikalbewegung des Nadelbalkens durch einen Verti- kaiantrieb und die Horizontalbewegung durch einen separaten Horizontalantrieb ausgeführt werden. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 197 30 532 Al bekannt. Der separate Horizontalantrieb der bekannten Vorrichtung ermöglicht zwar größere Bewegungsamplituden in horizontaler Richtung jedoch mit dem Nachteil komplizierter Mechaniken, die insbesondere bei höheren Durchlaufgeschwindigkeiten eine unzureichende Stabilität und eine unzureichende Führung des Nadelbalkens zur Folge hat.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Vernadeln einer Faserbahn der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass die durch ein Kurbel- triebwerk erzeugten überlagerten Vertikal- und Horizontalbewegungen des Nadelbalkens mit flexibler Amplitudeneinstellung und stabiler Führung ausführbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Vernadeln einer Faserbahn dadurch gelöst, dass die Führungseinrichtung eine Lenkstange aufweist, die an einem Ende durch ein Drehgelenk mit dem Balkenträger verbun- den ist, und die an dem anderen Ende durch ein zweites Drehgelenk mit einem Lenkgetriebe gekoppelt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der jeweiligen Unteransprüche definiert.

Die Erfindung besitzt den besonderen Vorteil, dass die Anlenkung des Balkenträgers gegenüber dem Maschinengestell durch ein Lenkgetriebe erfolgt, das unmittelbar über eine Lenkstange auf den Balkenträger einwirkt. Durch die Zwischenschaltung des Lenkgetriebes lassen sich an der Lenkstange vorbestimmte Füh- rungsbahnen erzeugen, die den Erfordernissen der Vernadelung angepasst sind. Je nach Ausrichtung der Lenkstange können sowohl in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Richtung Schubzugkräfte aufgefangen werden, so dass eine stabile Führung des Balkenträgers möglich ist. Insbesondere der Anlenkpunkt am Balkenträger bietet einen hohen Freiheitsgrad an dem Balkenträger, um beliebige Phasenverstellungen der Kurbelwellen aufzunehmen.

Um mit möglichst hoher Flexibilität Führungseigenschaften an dem Balkenträger übernehmen zu können, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung das Lenkgetriebe aus mehreren Getriebemitteln gebildet, die zumindest über ein Gestelldreh- lager an einem Maschinengestell gehalten sind. Insoweit lässt sich eine auf Drehgelenke und Drehlager basierende Führungseinrichtung ausbilden, die neben einer ausreichenden Stabilität auch eine einfache Tribologie erfordert. Sowohl Drehlager als auch Drehgelenke lassen sich gegenüber der Umgebung in einfacher Art und Weise abdichten, so dass eine betriebssichere Führung des Balkenträgers ge- währleistet ist.

Um den Verstellbereich zur Einstellung eines horizontalen Hubes erheblich zu erweitern, ist die Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, bei welcher eines der Getriebemittel als eine antreibbare Exzenterwelle ausgebildet ist, die in dem Gestelldrehlager gelagert ist und die über eine Pleuelstange mit der Lenk- stange gekoppelt ist. So lässt sich bereits bei einem gleichphasigen Antrieb der Kurbelwellen ein Horizontalhub an dem Balkenträger einleiten, der entsprechend der Exzentrizität der Exzenterwelle in seiner Größe konstant ist. Durch Phasenverstellung der Kurbelwellen lässt sich nun dieser Horizontalhub vergrößern oder verkleinern. Damit besteht die Möglichkeit, relativ große Horizontalhübe und da- mit hohe Durchlaufgeschwindigkeiten ausführen zu können. Es ergibt sich somit eine Verdoppelung des möglichen Verstellbereiches.

Je nach Ausbildung des Lenkgetriebes zur Führung der Lenkstange lassen sich unterschiedliche Führungsbahnen des Balkenträgers realisieren. Bei einer ersten Variante ist zumindest eines der Getriebemittel als ein Kipphebel ausgebildet, welcher in einem mittleren Bereich durch ein Kipplager an dem Maschinengestell gehalten ist. Mit einem Ende ist ein Kipphebel über eine Drehgelenk mit der Lenkstange und mit dem gegenüber liegenden Ende durch ein zweites Drehgelenk mit dem Pleuel der Exzenterwelle verbunden. Die durch die Lenkstange an dem Balkenträger bewirkte Führungsbahn lässt sich je nach Abstimmung der Längen der Lenkstange und des Kipphebels gerade ausführen.

Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Anlenkung der Lenkstange über eine Schwinge auszubilden, die durch ein Drehlager mit dem Maschinenge- stell verbunden ist. Somit lässt sich die Lenkstange durch die Schwinge und die Pleuelstange der Exzenterwelle führen.

Um die Führungsstabilität des Balkenträgers zu verbessern, erfolgt die Anbindung der Lenkstange durch das Drehgelenk an den Balkenträger bevorzugt an der BaI- kenträgermitte. Die Vertikalbewegung sowie die Horizontalbewegung des Balkenträgers lässt sich somit sicher und stabil auf die Lenkstange übertragen.

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Um die Flexibilität zur Einstellung der Horizontalhübe insbesondere bei veränderten Durchlaufgeschwindigkeiten der Faserbahn zu erhöhen, weist die Phasenver- stelleinrichtung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zwei Stellmotoren auf, die den Kurbelwellen der Kurbelantriebe zugeordnet sind und die unabhängig voneinander über einer Steuereinrichtung ansteuerbar ausgebildet sind. Damit lassen sich beispielsweise bei einem Materialwechsel Maschineneinstellungen schnell und präzise auf neue Vorgaben einstellen.

Grundsätzlich kann die Phasenverstelleinrichtung auch durch ein mechanisches oder hydraulisches Getriebe ausgebildet sein. So lässt sich die Verstellung der Kurbelwellen beispielsweise auch durch einen Aktor steuern.

Die Verstellung der Kurbelwellen kann dabei sowohl während des Betriebes mit angetriebenen Wellen als auch im Stillstand der Wellen erfolgen. Somit lassen sich je nach Verstellungsart auch andere konstruktive Lösungen der Phasenverstelleinrichtung nutzen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden nachfolgen einige Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Es stellen dar:

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfmdungemäßen Vorrichtung Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vernadeln einer Faserbahn schematisch dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt einen Balkenträger 2, der an seiner Unterseite einen Nadelbalken 1 hält. Der Nadelbalken 1 trägt an seiner Unterseite ein Nadelbrett 3 mit einer Vielzahl von Nadeln 4. Dem Nadelbrett 3 mit

den Nadeln 4 ist eine Bettplatte 26 und ein Abstreifer 25 zugeordnet, wobei zwischen der Bettplatte 26 und dem Abstreifer 25 eine Faserbahn 27 mit im wesentlichen konstanter Vorschubgeschwindigkeit geführt wird. Die Bewegungseinrichtung der Faserbahn 27 ist hierbei durch einen Pfeil gekennzeichnet.

An dem Balkenträger 2 greift ein Kurbeltriebwerk 5 an. Das Kurbeltriebwerk 5 ist durch zwei parallel nebeneinander angeordnete Kurbelantriebe 6.1 und 6.2 gebildet. Die Kurbelantriebe 6.1 und 6.2 weisen zwei parallel nebeneinander angeordnete Kurbelwellen 9.1 und 9.2 auf, die oberhalb des Balkenträgers 2 angeordnet sind. Die Kurbelwellen 9.1 und 9.2 weisen jeweils mind. einen Exzenterabschnitt zur Aufnahme mindestens einer Pleuelstange auf. In Fig. 1 sind die an einem Balkenträger 2 angeordneten Pleuelstangen 7.1 und 7.2 gezeigt, die mit ihren Pleuelköpfen 10.1 und 10.2 an den Kurbelwellen 9.1 und 9.2 gehalten sind. Die Pleuelstangen 7.1 und 7.2 sind mit ihren gegenüber liegenden Enden durch zwei Pleuel- drehgelenke 8.1 und 8.2 mit dem Balkenträger 2 verbunden. Die Kurbelwelle 9.1 bildet mit der Pleuelstange 7.1 den Kurbelantrieb 6.1 und die Kurbelwelle 9.2 mit der Pleuelstange 7.2 den Kurbelantrieb 6.2, um den Balkenträger 2 in eine oszillierende Bewegung zu führen.

Den Kurbelwellen 9.1 und 9.2 ist eine Phasenverstelleinrichtung 11 zugeordnet. Die Phasenverstelleinrichtung weist zwei Stellmotoren 12.1 und 12.2 auf, die den Kurbelwellen 9.1 und 9.2 zugeordnet sind. Die Stellmotoren 12.1 und 12.2 sind mit einer Steuereinrichtung 13 verbunden. über die Steuereinrichtung 13 lassen sich die Stellmotoren 12.1 und 12.2 unabhängig voneinander aktivieren, um die Kurbelwellen 9.1 und 9.2 in ihren Lagern zu verdrehen. Somit lässt sich die Phasenlage zwischen den beiden Kurbelwellen 9.1 und 9.2 verstellen. Neben der reinen vertikalen Auf- und Abwärtsbewegung des Nadelbalkens 1 lässt sich dadurch eine überlagerte Horizontalbewegung an dem Balkenträger 2 ausführen. So wird bei Phasengleichheit der Kurbelwellen 9.1 und 9.2 und synchronem Lauf eine annähernd vertikale Auf- und Abwärtsbewegung ausgeführt. Bei einem Versatz der Phasenlagen der Kurbelwellen 9.1 und 9.2 wird über die Pleuelstangen 7.1 und 7.2 an dem Balkenträger 2 eine Schiefstellung eingeleitet, die bei fortschrei-

tender Bewegung eine in Bewegungsrichtung der Faserbahn 27 gerichtete Bewegungskomponente erzeugt. Die Größe der Phasenverstellung zwischen der Kurbelwelle 9.1und 9.2 ist direkt proportional einer Hublänge der Horizontalbewegung. Der Hub der Horizontalbewegung lässt sich also über den Phasenwinkel der Kurbelwellen 9.1 und 9.2 stufenlos einstellen.

An dieser Stelle sei ausdrücklich erwähnt, dass die Phasenverstelleinrichtung 11 alternativ durch einen Stellmotor und ein auf die Kurbelwellen 9.1 und 9.2 einwirkende Verstellgetriebe gebildet sein könnte. Wesentlich hierbei ist, dass die Kurbelwellen 9.1 und 9.2 um ein Phasenwinkel versetzt zueinander angetrieben sind, um neben der Vertikalbewegung auch eine Horizontalbewegung zum Ver- nadeln der Faserbahn ausführen zu können.

Zur Führung der Bewegung des Balkenträgers 2 ist eine Führungseinrichtung 14 vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Lenkstange 15 aufweist, die über ein erstes Drehgelenk 16.1 mit dem Balkenträger 2 und über ein zweites Drehgelenk 16.2 mit einem Lenkgetriebe 17 verbunden ist. Das Drehgelenk 16.1 am Balkenträger 2 ist in einer Balkenmitte ausgebildet, wobei die Lenkstange 15 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist und mit dem seitlich angeordneten Lenkgetriebe 17 verbunden. Das Lenkgetriebe 17 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Exzenterwelle 18 gebildet, die in einem Gestelldrehlager 19 an einem Maschinengestell 20 gehalten ist. Die Exzenterwelle 18 ist über eine Pleuelstange 21 mit einem freien Ende eines Kipphebels 22 verbunden. Die Anbindung des Kipphebels 22 an die Pleuelstange erfolgt durch das Drehgelenk 24. Im mittleren Bereich des Kipphebels 22 ist ein Kipplager 23 vorgesehen, an welchem der Kipphebel 22 schwenkbar an dem Maschinengestell 20 gehalten ist. An einem unteren freien Ende des Kipphebels 22 greift die Lenkstange 15 über das Drehgelenk 16.2 ein.

Die Führungseinrichtung 14 lässt sich in diesem Ausführungsbeispiel wahlweise mit aktiv angetriebenen Exzenterwelle 18 oder mit einer frei einstellbaren Exzenterwelle 18 betreiben. Alternativ kann die Exzenterwelle 18 auch durch ein Dreh-

gelenk ersetzt werden. Bevorzugt wird jedoch zur Erhöhung der Flexibilität und Vergrößerung der Hubeinstellungen die Exzenterwelle 18 des Lenkgetriebes 17 synchron zu den Kurbelwellen 9.1 und 9.2 angetrieben. Dadurch lässt sich eine von der Größe der Exzentrizität der Exzenterwelle 18 abhängige Auslenkung der Lenkstange 15 in Bewegungsrichtung der Faserbahn 27 einleiten. Neben der Führung des Balkenträgers 2 wird ein überlagerter konstanter Horizontalhub an dem Balkenträger über die Lenkstange 15 eingeleitet.

Durch eine Phasendifferenz zwischen der Kurbelwelle 9.1 und 9.2 lässt sich so- wohl eine Vergrößerung als auch eine Verkleinerung des über die Führungseinrichtung vorgegebenen Horizontalhubes einstellen. Die Kurbelwellen 9.1 und 9.2 können dabei gleich- oder gegensinnig angetrieben werden. Bei gleichsinnigem Antrieb erfolgt die Phasenverstellung gegensinnig. Bei einem gegensinnigen Antrieb erfolgt die Verstellung dagegen gleichsinnig.

Unabhängig davon, ob die Führungseinrichtung mit angetriebener Exzenterwelle oder mit nicht angetriebener Exzenterwelle betrieben wird, werden die translatorischen Bewegungen des Balkenträgers 2 allein durch Drehbewegung der Getriebemittel der Führungseinrichtung 14 geführt. Dies stellt eine besonders kosten- günstige Maschinenkonzeption mit hoher Flexibilität hinsichtlich variabler Hubeinstellung bei überlagerten Vertikal- und Horizontalbewegungen des Balkenträgers dar.

Das in Fig. 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der erfmdungsgemä- ßen Vorrichtung stellt eine weitere Möglichkeit dar, um die Lenkstange 15 zur Führung des Balkenträgers 2 über ein Lenkgetriebe 17 zu führen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist im Aufbau und Ausgestaltung des Kurbeltriebwerkes 5, des Balkenträgers 2 sowie der durch den Balkenträger 2 gehaltenen Einrichtungen identisch zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel, so dass zu der vorher- gehenden Beschreibung Bezug genommen wird.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Führungseinrichtung 14 oberhalb des Balkenträgers 2 zwischen den Kurbelantrieben 6.1 und 6.2 ausgebildet. Das Lenkgetriebe 17 der Führungseinrichtung 14 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Exzenterwelle 18 und eine Schwinge 28 gebildet. Die Exzenterwelle 18 ist in dem Gestelldrehlager (19) in dem Maschinengestell 20 gehalten und mit einem hier nicht dargestellten Antrieb gekoppelt. über eine Pleuelstange 21 ist die Exzenterwelle 18 über ein Drehgelenk 16.2 mit der Lenkstange 15 verbunden. Die Schwinge 28 ist durch ein Drehlager 29 an dem Maschinengestell 20 gehalten und mit einem freien Ende über ein weiteres Drehgelenk 16.3 mit der Lenkstange 15 gekoppelt. In dem Fall, dass die Exzenterwelle 18 durch einen Antrieb synchron zu den Kurbelwellen 9.1 und 9.2 angetrieben wird, erfolgt eine über die Schwinge 28 in die Lenkstange 15 überlagerte Schubbewegung, die über das Drehgelenk 16.1 in dem Balkenträger 2 eine überlagerte horizontale Bewegung mit konstantem Horizontalhub einleitet. Der Balkenträger 2 und damit der Nadelbalken 1 führen eine elliptische Bewegung aus. Die Drehzahl der Exzenterwelle 18 sowie die Drehzahl der Kurbelwellen 9.1 und 9.2 des Kurbeltriebwerkes 5 sind in diesem Fall gleich, so dass sich ein von der Exzentrizität der Exzenterwelle 18 abhängiger horizontaler Hub an dem Nadelbalken einstellt. Durch Phasenverstellung der Kurbelwellen 9.1 und 9.2 lässt sich dieser Hub je nach Anforderung verkleinern oder vergrößern.

Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Exzenterwelle 18 mit der Pleuelstange 21 zu fixieren, so dass nur eine Drehbewegung ausführbar wäre. In einer derartigen Situation wirkt die Lenkstange 15 gegenüber dem Balkenträger 2 ausschließlich zur Führung der oszillierenden Bewegung des Balkenträgers 2.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 wurden die Phasenverstelleinrichtung durch zwei Stellmotore 12.1 und 12.2 dargestellt. Eine derartige Phasenverstelleinrichtung ist beispielhaft. Die Verstellung der Kurbelwellen kann sowohl im Betrieb mit drehenden Wellen oder im Stillstand mit feststehenden Wellen erfolgen. So besteht auch die Möglichkeit, den Kurbelwellen zur Verstellung ein mechanisches oder hydraulisches

Getriebe zu zuordnen. So könnte beispielsweise ein Motor oder Aktor genutzt werden, um die Verstellung über das Getriebe an den Wellen einzuleiten.

Die erfmdungsgemäße Vorrichtung zum Vernadeln einer Faserbahn bietet somit eine hohe Flexibilität zur Führung und zum Antrieb eines Nadelbalkens. Insbesondere lassen sich flexible Hubeinstellungen zur Ausführung horizontaler Bewegungen realisieren.

Bezugszeichenliste

1 Nadelbalken

2 Balkenträger

3 Nadelbrett

4 Nadeln

5 Kurbeltriebwerk

6.1 , 6.2 Kurbelantrieb

7.1 , 7.2 Pleuelstangen

8.1 , 8.2 P leueldrehgelenk

9.1 , 9.2 Kurbelwelle

10. 1, 10.2 Pleuelkopf

11 Phasenverstelleinrichtung

12. 1, 12.2 Stellmotor

13 Steuereinrichtung

14 Führungseinrichtung

15 Lenkstange

16. 1, 16.2, 16.3 Drehgelenk

17 Lenkgetriebe

18 Exzenterwelle

19 Gestelldrehlager

20 Maschinengestell

21 Pleuelstange

22 Kipphebel

23 Kipplager

24 Drehgelenk

25 Abstreifer

26 Bettplatte

27 Faserbahn

28 Schwinge

29 Drehlager