CN110582824B - 带有用于绳索式旋转摆动运动系统的气体压力弹簧的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于预紧绳索式旋转摆动运动系统的装置，在该装置中，旋转体（6）的转动运动借助缠绕绳索转化成了缠绕体的平移运动，其中，可向旋转体（6）加载扭矩。所述装置具有：绳索式旋转摆动运动系统的有待预紧的、能围绕其纵轴线（A）转动的、沿纵轴线（A）的方向不能运动的旋转体（6）；至少一个包围旋转体（6）的气体压力弹簧（1），该气体压力弹簧能沿纵轴线（A）的方向压缩；和主绳索（5），该主绳索将旋转体（6）与气体压力弹簧（1）这样传力配合地连接，使得旋转体（6）的转动运动促成了气体压力弹簧（1）的压缩，由此预紧该装置。本发明提供了这样的优点，即，在绳索式旋转摆动运动系统中不会出现不期望的振荡。本发明同样说明了在电气的功率开关中的应用。

Description

带有用于绳索式旋转摆动运动系统的气体压力弹簧的装置
技术领域
本发明涉及一种用于预紧绳索式旋转摆动运动系统的装置，在该装置中，旋转体的转动运动借助缠绕绳索转化成了缠绕体的平移运动，其中，在预紧状态下向旋转体加载扭矩。本发明也涉及所述装置用于开关的应用。
背景技术
高的短路电流对中压开关装置和运行器件意味着高的机械负荷和热负荷。机械负荷与电流的平方成比例并且由冲击短路电流的大小决定，所述冲击短路电流在短路开始后几毫秒内出现。热负荷由时间的电流积分决定，除了电流的大小外也重要的是，短路持续时间进入该时间的电流积分中。因此为了减小通过短路电流作用到运行器件上的负荷，既需要明显减小冲击短路电流的幅度也需要明显减小短路持续时间。
带有集成的限流器的快速开关有能力以如下方式确保这一点，即，所述快速开关这样长时间地有效地限制冲击短路电流，直至该快速开关完全中断电路。因此能成功地以这种程度限制电流积分，使得短路时运行器件的热负荷保持在合理范围内。
在公开文本WO 2016/110430 A1中说明了一种“用于电气开关装置的耦合机构”，通过该耦合机构能用所需的动力实施开关过程。在此，所述耦合机构的旋转运动借助缠绕绳索转换成了缠绕体的或推杆的上下运动并且因此转换成了开关过程。为了使这种绳索式旋转摆动运动系统开始旋转，将一组弹簧用作力源或蓄能器，所述一组弹簧通过多个主绳索传力配合地与耦合机构连接。公开文本WO 2016/110430 A1的内容是该专利申请的组成部分。
在预紧状态下，弹簧将力施加到相对于静止位置转动的主绳索上。因为主绳索作用在耦合机构的外围上，因此扭矩施加到了耦合机构上，扭矩使绳索式旋转摆动运动系统开始旋转。这样来设计弹簧刚性、预紧力和通过在缠绕绳索和主绳索上的力引导的细节而限定的几何形状比例，使得可以实现在3 ms的范围内的开关时间。
鉴于耦合机构的极高的开关动力学而被证实为是不利的是，由此在弹簧中激励出了弯曲振荡和纵向振荡。这些振荡的幅度传递给了缠绕体的运动并且不利地影响开关过程。尤其在打开开关时，通过主绳索和缠绕绳索过耦合到缠绕体上的弹簧的叠加的振荡，可能会妨碍电流限制的功能以及火花的中断。
在公开文本DE 28 43 368 A1中公开了一种用于在电气的功率开关的开关运动中对开关机构减振的气体压力弹簧。
发明内容
本发明的任务是，避免前述的缺点并且说明一种解决方案，该解决方案将开关过程变得更为可靠。
按照本发明，用独立权利要求的装置和应用来解决所提出的任务。有利的扩展设计方案在从属权利要求中说明。
按照本发明，取代例如螺旋弹簧或扭簧地使用气体压力弹簧，气体压力弹簧可以由两个同心布置的金属波纹管构成，所述金属波纹管通过共同的底板和盖板封闭地形成了用于气体的气密密封的容器。通过安装在盖中的阀可以用气体填充容器。这样来设定两个金属波纹管的有效半径的尺寸，使得例如在50 bar的气体压力下产生了约20 kN的作用于底板或盖板的力。将这个预紧力传递到公开文本WO 2016/110430 A1的耦合机构上的主绳索，用一端悬挂在气体压力弹簧的盖板上，用另一端悬挂在耦合结构上。主绳索在无压力的状态下这样装入，使得主绳索在悬挂后被绷紧并稍微预紧。主绳索在悬挂到气体压力弹簧的盖板中以及旋转摆动运动系统的旋转体中后，在盖板的俯视图中沿径向取向。这种装置使用在电气的功率开关中。
本发明要求保护一种用于预紧绳索式旋转摆动运动系统的装置，在该装置中，旋转体的转动运动借助缠绕绳索转化成了缠绕体的平移运动，其中，在预紧状态下向旋转体加载扭矩。所述装置具有：
- 绳索式旋转摆动运动系统的有待预紧的、能围绕其纵轴线转动的、沿纵轴线的方向不能运动的旋转体，
- 至少一个包围旋转体的气体压力弹簧，该气体压力弹簧能沿纵轴线的方向压缩，和
- 主绳索，该主绳索将旋转体与气体压力弹簧这样传力配合地连接，使得旋转体的转动运动促成了气体压力弹簧的压缩，由此预紧装置。
本发明提供了这样的优点，即，在快速的开关过程中不会出现由弹簧引起的、不期望的振荡。
在一种扩展设计方案中，气体压力弹簧具有底板和与之平行取向的盖板。
在另一种设计方案中，气体压力弹簧具有至少一个能用气体填充的金属波纹管，该金属波纹管布置在盖板和底板之间。
在另一个实施方式中，金属波纹管用碳纤维增强的塑料包套。由此还更为有效地抑制了振动。
在另一种设计方案中，主绳索用一端固定在盖板中并且用另一端固定在旋转体上。由此促成了从气体压力弹簧到旋转体上的有效的力传递。
此外，在气体压力弹簧的充气状态中，在金属波纹管中的气体的压力至少为50bar。
在另一种优选的设计方案中，旋转体构造成管形。由此在旋转体的内部创造出了空间。
所述装置此外还可以具有两个彼此镜像布置的气体压力弹簧。旋转体的通过气体压力弹簧作用的支承力由此相互抵消。
在一种扩展设计方案中，两个气体压力弹簧的底板彼此摞放。
此外，所述装置可以具有穿过底板的平衡钻孔或节流阀，其平衡了在两个气体压力弹簧之间的气体压力。
本发明也要求保护按本发明的装置在电气的功率开关中用于预紧绳索式旋转摆动运动系统的应用。
本发明的其它的特殊性和优点由借助示意图对多个实施例的下列阐释可知。
附图说明
图中：
图1是布置在旋转体上的气体压力弹簧的剖视图；
图2是布置在旋转体上的气体压力弹簧的俯视图；
图3是布置在旋转体上的气体压力弹簧和转动了45°的旋转体的俯视图；并且
图4是两个对称地布置在旋转体上的气体压力弹簧的剖视图。
具体实施方式
图1示出了气体压力弹簧1的横截面，其由两个同心布置的金属波纹管2构成，所述金属波纹管经共同的底板4和盖板3封闭地形成了用于气体的气密密封的容器。通过安装到盖板3中的未示出的阀可以用气体填充所述容器。这样来设定两个金属波纹管2的有效半径的尺寸，使得例如在50 bar的气体压力下产生了约20 kN的作用于底板或盖板3、4的力。
按照公开文本WO 2016/110430 A1的绳索式旋转摆动运动系统的旋转体6同心布置地延伸通过气体压力弹簧1。将预紧力传递给绳索式旋转摆动运动系统的主绳索5，用一个端部悬挂在气体压力弹簧1的盖板3上，用另一个端部悬挂在旋转体6上。主绳索5在气体压力弹簧1的无压力的状态下这样装入，使得所述主绳索在悬挂后绷紧并且微微预紧。主绳索5在悬挂到气体压力弹簧1的盖板3中以及绳索式旋转摆动运动系统的旋转体6中后，在盖板3的俯视图中沿径向取向，如在图2中可以看到的那样。
针对图2和图3的说明，首先假设，旋转体6通过合适的轴承被防止沿纵轴线A的方向运动。更确切地说，旋转体仅能够实施围绕纵轴线A的旋转。若用气体填充气体压力弹簧1，则产生压力，该压力沿纵轴线A的方向作用于盖板3并且因此对主绳索5施加拉力。
若旋转体6通过相应的器件（例如通过马达）从初始位置起转动了一个能预定的角度，如在图3中所示那样，那么处在压力下的气体压力弹簧1产生了作用于主绳索5的力，该力在主绳索5的悬挂点上产生扭矩，该扭矩相应于通过主绳索5传递到旋转体6上的力的切向分量乘以在旋转体6上的悬挂点的半径。用缠绕绳索可以使处在旋转体6内部的未示出的缠绕体开始按照公开文本WO 2016/110430 A1的纵向运动。
一个示例性的设计方案在50 bar的压力下在旋转体6围绕纵轴线A转动了45度时提供300 Nm的起始扭矩，该起始扭矩通过旋转体6作用于绳索式旋转摆动运动系统。因为绳索长度在动态运行中不会改变，所以通过转动将盖板3向下沿底板4的方向拉（图1）并且因此气体压力弹簧1被压缩。这导致了气体压力基于旋转体6的摆动运动而轻微调整。
在图1所示的装置中，一旦气体压力弹簧1充气到其额定压力，那么由此引起的极大的力就作用于轴承以抑制旋转体6沿轴向的运动。在示例中，额定压力为50 bar，由此在气体压力弹簧1的预定的几何形状下得出了作用于轴承的约20 kN的力。
当实现了对称的装置时，如在图4中所示那样，那么就可以完全免去这种承受大的力的轴承。由图可知，设有两个气体压力弹簧1，它们的力方向在加载压力时是相反的。在两个气体压力弹簧1尺寸设定相同时并且在气体压力相同时，两个气体压力弹簧1作用于相应的盖板3通过主绳索5施加到旋转体6上的力，彼此相反地相同并且因此抵消。因此不需要用于补偿轴向力的轴承。扭矩则从下方的和上方的主绳索装置朝着相同的方向作用，即，它们相加。
为了建立起在两个气体压力弹簧1中的压力的平等，必要时可以设平衡钻孔7，通过该平衡钻孔发生了压力平衡。所述平衡钻孔7为了抑制在两个气体弹簧1之间的压力振荡而可以具有节流器。
主绳索5的数量，如在图2和图3中所示那样，并非一定是四个。但是出于防止金属波纹管2弯曲的稳定性的原因，应当以120°的角间距为每个气体压力弹簧1使用至少三个主绳索5。否则的话，当然在考虑到结构合理的情况下，可以使用任意数量N的绳索，其中，绳索彼此间的角间距由
Figure DEST_PATH_IMAGE001
给定。
为了抑制金属波纹管2的纵向振荡或弯曲振荡，这些金属波纹管可以用CFK包套包围。基于纤维-合成树脂浇铸件的特性，抑制了振荡。此外，这可以是抵抗在绳索式旋转摆动运动系统的极短的开关时间内在金属波纹管2的材料中出现的高动力负荷的保护措施。
由于极高的开关动力，不可避免的是，在用作用于绳索摆动式驱动器的蓄能器的传统的预紧弹簧（例如螺旋弹簧）中激励出了振荡。这些振荡通过缠绕绳索也过耦合到驱动器上并且引起了开关时已经在本文开头中提到的问题。
由金属波纹管2构成的气体压力弹簧1，因此具有极大的优点。在由金属波纹管2、底板4和盖板3形成的气体压力弹簧1中的气体的压力，遵循针对理想气体的公知的关系式：
p*V = const. （1）
其中，p是压力并且V是体积。
由例如仿真计算和试验可知，金属波纹管2的振荡对气体压力弹簧1的由金属波纹管2包围的体积V没有明显影响，并且因此也对作为下述扭矩起因的压力没有明显影响，该扭矩通过主绳索5作用于旋转体6。因此通过不可避免的谐振有效地脱离了干扰。
通过气体压力弹簧1围绕旋转体6的同心布置产生了另一个优点。这允许了这个中央的驱动单元的紧凑的构造方式。
尽管本发明在细节上通过所述实施例加以详细图示和说明，但本发明并不受到公开的示例的限制并且也能由本领域技术人员由此推导出其它的变型方案，而不会脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 气体压力弹簧
2 金属波纹管
3 盖板
4 底板
5 主绳索
6 旋转体
7 平衡钻孔
A 纵轴线。

Claims (11)

1.用于预紧绳索式旋转摆动运动系统的装置，在该装置中，旋转体（6）的转动运动借助缠绕绳索转化成了缠绕体的平移运动，其中，向所述旋转体（6）加载扭矩，该装置具有：
- 绳索式旋转摆动运动系统的有待预紧的、能围绕其纵轴线（A）转动的、沿所述纵轴线（A）的方向不能运动的旋转体（6），
其特征在于：
- 至少一个包围所述旋转体（6）的气体压力弹簧（1），该气体压力弹簧能沿所述纵轴线（A）的方向压缩，和
- 主绳索（5），该主绳索将所述旋转体（6）与所述气体压力弹簧（1）传力配合地连接，使得所述旋转体（6）的转动运动促成了所述气体压力弹簧（1）的压缩，由此预紧该装置。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：
- 所述装置包括所述气体压力弹簧（1）的底板（4）和与底板平行地取向的盖板（3）。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于：
- 所述气体压力弹簧（1）包括至少一个能用气体填充的金属波纹管（2），该金属波纹管布置在所述盖板（3）和所述底板（4）之间。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，所述金属波纹管（2）用碳纤维增强的塑料包套。
5.按照权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述主绳索（5）用一端固定在所述盖板（3）中并且用另一端固定在所述旋转体（6）上。
6.按照权利要求3或4所述的装置，其特征在于，在所述气体压力弹簧（1）的充气的状态下，在所述金属波纹管（2）的气体压力至少为50 bar。
7.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述旋转体（6）构造成管状。
8.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于：
- 所述气体压力弹簧为两个彼此镜像布置的气体压力弹簧（1）。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述两个彼此镜像布置的气体压力弹簧（1）的底板（4）彼此摞放。
10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于：
- 所述底板包括穿过所述底板（4）的平衡钻孔（7），该平衡钻孔构造用于：平衡在所述两个彼此镜像布置的气体压力弹簧（1）之间的气体压力或者抑制振荡。
11.按照前述权利要求中任一项所述的装置在开关电气的功率开关以预紧绳索式旋转摆动运动系统时的应用。
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