Spindel-Antrieb

Den klapprigen Zahnrad-Antrieb auf Zahnriemen umbauen (Hat nix mit CNC zu tun)

Da es mir das Vorgelege der Fräs-Spindel zerlegt hat...

... und der Antrieb sowieso viel zu laut gerasselt und geklappert hat, habe ich zwecks Umbau mal alle Teile des Spindelantriebes ausgemessen. Nach den gefundenen Maßen ist es durchaus möglich einen direkten Zahnriemenantrieb mit vielleicht T10-Riemen zu bauen.
Ich bin ganz sicher nicht der erste, der das macht, aber ich habe bisher keine Beschreibung des Umbaus gefunden.

So sieht der Kopf von der Seite geschnitten ohne die originalen Zahnräder aus (unwichtige Details mal weggelassen):

Meine Maßzeichnungen sind zwar unkonventionell, aber ich komme damit gut zurecht

Planung Konstruktion Variante 1 Konstruktion Variante 2 Umbau ✩ Nachtrag

Was ist geplant?

Hier sollen soweit wie möglich die vorhandenen originalen Teile - außer natürlich die Plastik-Zahnräder - weiterverwendet werden.
O.K. Erst mal einige Punkte klären.

Eine Übersetzung von 1:3,33 (Motor (6000 U/min)) würde mir im elektronisch regelbaren Drehzahlbereich eine Spanne von 245 bis 1.800 bringen.
Original sind Gang 1 = 150 - 1100 und Gang 2 = 300 - 2500 (keine Ahnung wie die merkwürdige 2500 zustande kommt).
Der vorhandene Innen-Durchmesser für ein Zahnriemenrad auf der Spindel beträgt 42mm.
Wegen der Belastbarkeit sollte der Riemen schon ein T10 sein, ➜ Breite 10mm.
➜ Tabelle Zahnriemenprofile

✩ Passend ist noch ein Riemen mit ➜ Breite 12mm. Hier müßten dann aber Riemenräder ohne Bundscheiben her.
Die Nut für die Spindelarretierung wäre dann noch zu 8mm frei, das ist grad noch akzeptabel.

✩ Es würde auch noch ein Riemen mit ➜ Breite 15mm passen. Ich weiß aber nicht, ob man das auf dem kurzen Wellenstumpf des Motors stabil befestigt bekommt. ...
Ab 15mm Breite wird die Nut für die Spindelarretierung verdeckt. Auch Zahnriemenräder ohne Bundscheiben lassen nicht genug Platz.
Wenn ich in die Spindel eine Ausdrückvorrichtung für den Morsekegel einbaue, brauche ich die Spindelarretierung nicht mehr (kommt sicher später).

✩ ... Wenn das funktioniert würde auch noch ➜ Breite 20mm passsen, aber dann wird es am oberen Spindestumpf und unter dem Motorkopf schon recht eng.
Die neue Motorplatte müßte für den Zahnriemen weiter ausgeschnitten werden.
Das passende Zahnrad für die Spindel ist so bei 45-Zahn-Rad mit Durchmesser 75mm, Der Motor bekommt ein 15-Zahn-Rad mit Durchmesser 24mm. Der Zahnriemen muß bei einem Achsabstand von 80mm mindestens 325mm lang sein und soll damit 65 Zähne haben.

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Konstruktion Variante 1

Der Motor muß 5mm nach oben versetzt werden, das wird mittels Aluträger realisiert. Dieser Träger wird verschiebbar auf die Motorplatte montiert, damit der Zahnriemen gespannt werden kann.

Der Zahnriemen ist hier nur angedeutet, man sieht so die Details besser

Zwischen den beiden Zahnriemenrädern werden zwei Umlenkrollen eingbaut. Durch diese wird der Zahnriemen zwischen den Zahnriemenrädern zuammengeführt, so kommen wir um die beiden inneren Befestigungsschrauben der Grundplatte herum. Angenehmer Nebeneffekt: es greifen mehr Zähne des Riemens in die Räder ein.
✪ Um die Achsen für die Umlenkrollen einzuschrauben, muß vorher noch das "Loch" im Spindelkopf verschlossen werden.
Die Grundplatte muß ausgefräst werden um platz für den Zahnriementrieb zu schaffen.
Für die aufnahme der Motorplatte werden 4 Bohrungen mit M6-Gewinde geschaffen. An den vorgesehenen Stellen können diese ins volle Material gebohrt werden.

Die rot gekreuzten Bohrungen werden nicht mehr gebraucht.
In Grün die Zahnriemen, Räder, Umlenkrollen und 4 neue Bohrungen.

Die Motorträgerplatte ist recht simpel zu fertigen. Sie wird dann verschiebbar auf die Grundplatte geschraubt und ermöglicht einen Versatz von 8mm

Montiert:

In Grün die 4 Bohrungen auf der Grundplatte.

Letztlich steht die Entscheidung für Zahnriemenräder mit 15 und 40 Zähnen (45 Zähne war zur Zeit nicht zu bekommen). Die Untersetzung liegt damit bei 1 : 2,66 und beschert uns damit einen Drehzalbereich von 240 bis 1850.
Als Teilung des Zahnriemens muß T5 gewählt werden, dessen Mindestzahnradgrösse bei 15 Zähnen liegt (wegen der Biegung des Riemens). Bei T10 würde mit 15 Zähnen unter dessen Grenze liegen. Zahnriemenbreite bleibt Konstruktionsbedingt 10mm.
Die Länge des Riemens habe ich mit 300mm (60 Zähne) ausgerechnet. Für den Weg um die Umlenkrollen gebe ich (über den Daumen) 10mm zu. Sollte das nicht passen, kann an der Konstruktion noch etwas gespielt werden.

In der Konstruktion oben bin ich bei dem Kreis-Ausschnitt für das Zahnriemenrad auf der Spindel mit 80mm vom maximal verfügbaren Platz ausgegangen. Ein 40er Zahnriemenrad hat aber nur 65mm Durchmesser, was nachher beim Ausfräsen der Grundplatte und der Motorplatte berücksichtigt werden kann. Als Folge können dann auch die Langlöcher für die Motorplattenverstellung etwas verlängert werden.

In Grün die 4 Bohrungen auf der Grundplatte.

Kugellager findet man wieder mal bei Ebay - Modellbau und in die Suchzeile "Kugellager" eingeben. z.B. Aussen 10, Innen 5, Breite 4, also im Durchmesser etwas kleiner als auf den Zeichnungen. Das gibt mir mehr Spielraum beim Umbau. Kosten 1 Euro das Stück.

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Konstruktion Variante 2

Die einfachere Lösung beim Umstellen auf Zahnriemen ist natürlich die originale Motorplatte wegzulassen und eine komplett neue zu bauen.
Diese soll auf vier Zylindern stehen, die oben auf dem Spindelkopf verschraubt werden.
Für die Breite des Zahnriemens gilt das gleiche wie bei Variante 1.

Vorteile:
- Das Spindel-Zahnriemenrad hat mehr platz und kann damit größer gewählt werden.
- Die Umlenkrollen werden nicht benötigt, wir sparen Arbeit und Material.

Nachteile:
- Es muß eine neue Verkleidung für den Antrieb gebaut werden, rotierende Teile sollten nicht frei sein.

Die Motorplatte bietet eine Längsverstellung von 11mm.

Die Bohrungen X sind nach dem Durchmesser der verwendeten Schrauben für die Befestigung des Motors zu fertigen, und müsseen von unten angesenkt werden.

Der Kreisauschnitt Z für die Motorwelle sollte nur wenig größer als das verwendete Zahnriemenrad sein, damit dieses genug Luft hat. Soll ja möglichst weit oben montiert werden, damit gegenüber an der Spindel das Loch für die Spindelarretierung frei bleibt. Außerdem gilt auch hier: Je näher das Zahnriemenrad am Lager, desto geringer dessen Belastung. Weiterer Hintergrund ist dass, je mehr Material die Motorplatte hat, desto stabiler ist sie. Also den Kreissauschnitt nicht zu groß fertigen.

Montiert sieht das dann so aus:

Die Spindelarretierung bleibt in einer brauchbaren Höhe frei. Um sie zu nutzen muß ein Block mit einer entsprehenden Bohrung montiert werden.

Die Motorplatte soll auf jeden Fall über dem Zahnriemenrad montiert sein.

    Mögliche Übersetzungen mit dem 105er-Achsabstand (99 - 110)


    Zahnrad                      Zahnriemen    etwa          
    Anzahl                       Anzahl        Min/Max         Spindelzahnrad
    Zähne     Untersetzung       Zähne         Drehzahl        Durchmesser (mm)


    15:40        1:2,666           70          305/2250              65

    15:44        1:2,9333          72          295/2245              71

    15:48        1:3,2             74          230/1875              78

    15:50        1:3,333           75          200/1800              81

    15:60        1:4               80          170/1500              97

    15:70        1:4,666           85          150/1285             113

Die Zahnriemenräder sind bei mir etwas nach unten verschoben, da darüber noch der Geber für die Drehzahlmessung (wird später angebaut) befestigt werden muß.:

Zum spannen des Zahnriemens reicht es, den Motor bei gelösten Schrauben kräftig nach hinten zu drücken und so die Schrauben anzuziehen.

Wie die Verkleidung aussehen wird, lege ich jetzt noch nicht fest, erstmal wird umgebaut.

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Der Umbau

Umgebaut wird nach Variante 2, einfach weil es weniger Arbeit ist. Die Motorplatte habe ich wieder auf der Portalfräse hergestellt. Das geht prima: Aufspannen, Nullpunkt festlegen, starten und zusehen wie das Teil fertig wird.

Die Größe des Kreisausschnittes für die Motorachse ist in den Zeichnungen nicht bemaßt. Sie richtet sich hier und auch bei allen anderen Konstruktionen nach Durchmesser und Dicke des dort verwendeten Zahnriemenrades, sollte aber nicht zu großzügig dimensioniert werden. Je kleiner dieser Ausschnitt, desto stabiler die Motorplatte.

Dann werden im Spindelkopf die (für die daneben liegende Motorplatte) passenden Bohrungen gefertigt und Gewinde geschnitten. Hier schon mit Schrauben drin.

Danach Motor auf die Platte schrauben, mit den Standzylindern auf den Kopf geschraubt, das ausgedrehte Zahriemenrad auf die.Spindel und den Zahnriemen drauf.

Dieses Spindelrad hat 60 Zähne.

Die seltsame gezahnte Scheibe über dem Zahnrad ist die Geberscheibe für die Drehzahlmessung

Der Riemen geht gut an den Befestigungen der Motorplatte vorbei und das Spindelrad ist nicht größer als der Spindelkopf. Hier sind keine weiteren Maßnahmen nötig.
Vor dem Standzylinder kann man sehen, daß ich für verschiedene Übersetzungen/Untersetzungen gleich mal jeweils 3 Bohrungen im Abstand von 10mm hintereinander gemacht habe. Man weiß ja nie!

Hier das ganze in Bewegung.

Dieses Spindelrad hat 80 Zähne.

Der Schaltkasten links am Spindelkopf wurde etwas ausgearbeitet, und jetzt müssen Umlenkrollen (rechts) her da der Riemen sonst an den Befestigungen der Motorplatte schleift.

Fakt ist, daß der Riemenantrieb um einiges leiser läuft als der originale klapprige Zahnradantrieb.

Ein weiterer nicht unwesentlicher Vorteil scheint mir nach den ersten Fräsungen zu sein, daß der Zahnriemenantrieb kein Spiel hat.
Die Gefahr, daß der Fräser sich festmacht, ist dadurch wesentlich geringer.
Begründung: Ein vorher mit dem Zahnradantrieb ab und an auftretendes "rappeln" des Fräsers konnte ich jetzt nicht mehr feststellen.

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Nachtrag

! Wer das Vorglege für den Umbau nicht ausbauen möchte muß es irgendwie in Mittelstellung fixieren.

UND

In Variante 2 steht viel einfacher die Möglichkeit für 2 verschiedene Untersetzungen wenn man das so baut:

✪ Man kann die Untersetzung wechseln wie beim originalen Vorgelege.

✪ Hier ist eine viel größere Untersetzung möglich, da mehr Raum für das Spindelrad zur Verfügung steht.

UND

Geplant ist an der Spindel auch noch eine Ausdrückvorrichtung für den Morsekegel einzubauen. Die Nut für die Spindelarretierung wird dann nicht mehr gebraucht.

Der Grund:
Das ewige geklopfe um das Spannwerkzeug aus der Spindel zu bekommen, das geht mir auf den Geist und tut der Maschine sicher nicht gut. Deshalb verwende ich z.Zt. noch am meisten das Bohrfutter, aber im Bohrfutter ist der Rundlauf der Werkzeuge nicht so absolut präzise.

Ich überlege auch noch, ob ich den Zahnstangenantrieb des Spindelkopfes auf Trapezgewindespindel umstelle. Der Zahstangenantrieb hat einfach zu viel Spiel, was beim fräsen schon mal zum rupfen des Fräsers fähren kann.

Aber das wird eine etwas grössere Operation, die Entscheidung ist noch nicht gefallen.

Ein weiteres Beispiel zur Umrüstung auf Zahnriemenantrieb sieht man bei Hoss-Maschine

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