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Die
Erfindung betrifft ein Stellelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Ein
derartiges analoges Stellelement ist aus der
DE 32 13 034 A1 mit einem
Steuerknüppel
für große seitliche
Auslenkungen bekannt. Für
dessen federelastische Rückführung in
die Ausgangsstellung nach Beendigung manueller seitlicher Druckausübung auf
seine aus dem Gehäuse
herausragende Handhabe ist der Steuerknüppel im Gehäuse von einer Schraubendruckfeder
hohlzylindrischer Gestalt käfigförmig umgeben,
die zwischen dem Boden eines gehäusefesten
Napfes und, dieser Abstützung gegenüber, einer
vom Steuerknüppel
unter radialem Spiel durchgriffenen Rückstellscheibe eingespannt ist;
welche ihrerseits gegen die Kugelabschnittbasis mit gegenüber der
Scheibe kleinerem Durchmesser einer halbkugelartigen Verdickung
am Steuerknüppel anliegt
und diese dadurch axial gegen das Innere einer entsprechend dimensionierten
hohlkugelförmigen
Schale in einer Gehäusewandung
andrückt.
Je nach dem Winkel einer seitlichen Auslenkung des Steuerknüppels wird
ein dieser Auslenkrichtung konstruktiv fest zugeordnetes Potentiometer
verdreht, um ein vom Auslenkwinkel abhängiges Signal erzeugen zu können. Die
Halbkugel verschwenkt mit der Auslenkung des Steuerknüppels und
drückt
dadurch die Scheibe in eine Schräglage,
in der diese federbeaufschlagte Rückstellscheibe nur noch punktförmig gegen
die Peripherie des Randes der Halbkugel anliegt und sich nur noch
diesem Punkt diametral gegenüber
gegen das Gehäuse
abstützt.
Das führt
zum Rückdrehen
der Halbkugel und somit des Steuerknüppels in die Ausgangslage,
in welcher die Rückstellscheibe
wieder flächig
gegen die Halbkugel und die sie umgebende Gehäusewandung anliegt, wenn der
seitliche Druck gegen die Handhabe zum Auslenken des Steuerknüppels verschwindet.
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Die
US 6,293,160 B1 dagegen
betrifft einen binär-digitalen
Lastsensor in der Bauform eines auf Belastung axial zu verlagernden,
in einer fest eingespannten elastischen Platte axial geführten Stempels,
der mit seinem Stirnende, der Lastaufnahme gegenüber, gegen die Rückstellkraft
einer Schalter-Kontaktfeder oder einer zusätzlichen Rückstellfeder in Bauform einer
Ringfeder oder einer kegelstumpfförmig berandeten Schraubenfeder
axial abgestützt
ist. Bei hinreichend starker Querbeanspruchung der Lastaufnahme
verwölbt
der dadurch mitsamt seiner Axialführung verschwenkende Stempel die
Oberfläche
der elastischen Platte, deren Verformung von Dehnungsmeßstreifen
aufgenommen wird, um vom Auslenkwinkel abhängige Signale erzeugen zu können. Eine
für diese
Messung hinreichende Verformung der Platte bedingt wieder große Auslenkwinkel
des Steuerknüppels
in Form hier des Druckschalter-Stößels.
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Dagegen
ist etwa aus der
WO 96/38810 ein in
der Praxis schon bewährtes
analoges Stellelement mit gelenkig im Gehäuse aufgehängtem Steuerknüppel zum
elektromechanischen Betreiben von Geräten und Anlagen bekannt. Das
Besondere an diesem Stellelement ist die ermüdungsfreie, präzise Arbeitsweise,
weil es nur auf manuelle Quer- aber nicht auf Längsbeanspruchung seiner Handhabe
anspricht. Das ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß der Steuerknüppel als
zweiarmiger Hebel ausgelegt ist, der unter indifferentem Gleichgewicht
mittels eines Schwenkgelenkes im Gehäuse aufgehängt ist, aus dem er mit einem
Endabschnitt herausragt, der als Handhabe dient. Um das Gleichgewicht
einzustellen, ist der Steuerknüppel
der Handhabe gegenüber
innerhalb des Gehäuses
mit einem Gegengewicht ausgestattet, das zugleich als Anschlag bezüglich der Querbeanspruchung
des Steuerknüppels
und auch als Meßscheibe
für die
Kommunikation mit gehäusefesten
Sensoren dienen kann. Weil die Sensoren als praktisch wegfrei ansprechende
Drucksensoren ausgelegt sind, gegen welche die Meßscheibe
praktisch spielfrei anliegt, geht die tatsächliche Winkelauslenkung des
Steuerknüppels
bei seiner Quer- oder Biegebeanspruchung praktisch gegen Null. Die
Drucksensoren liefern zugleich die Rückstellkräfte für die Rückkehr des Steuerknüppels in
seine zentrale Ruhestellung, wenn kein Querdruck mehr auf die Handhabe
ausgeübt
wird.
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Dieses
so praktisch wegfrei auf Querdruck ansprechende Stellelement hat
sich in der Praxis hervorragend bewährt. Selbst schwerst nerven-
und muskelgeschwächte
Behinderte, die von ihrem Schicksal an sich zur Unbeweglichkeit
verdammt sind, werden wieder mobil, weil sie mit diesem wegfrei
ansprechenden Stellglied den Elektroantrieb samt Fahrtrichtungssteuerung
eines Krankenfahrstuhles ruckfrei und feinfühlig bedienen können – was wie
sich gezeigt hat mit den handelsüblichen
verschwenkbaren Joysticks absolut unerreichbar ist. Als nachteilig
kann allenfalls noch angesehen werden, daß beim vorbeschriebenen Stellelement
die Entspannung der Drucksensoren auch der Rückführung des dann unbelasteten
Steuerknüppels
in seine neutrale Ruhestellung dient. Für die Funktion des Stellelementes
ist deshalb auf Sensoren zurückzugreifen, die
auf mechanische Beanspruchung mit einer Rückstellkraft reagieren, weshalb
sich bei Langzeitbetrieb Hystereseerscheinungen einstellen können, die
unter Umständen
zur Verunsicherung bei der Bedienung führen können, wenn sie nicht im Zuge
routinemäßiger Wartung
elektrisch kompensiert werden.
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In
Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die
technische Problemstellung zugrunde, trotz praktisch wegfreier Betätigung eine
mechanisch zuverlässige
Rückführung des
unbelasteten Steuerknüppels
in seine neutrale oder Ruhe-Stellung unabhängig von der Funktion der Sensoren
zu erzielen, so daß sich
dadurch auch die Möglichkeit
eröffnet,
berührungslos
arbeitende Sensoren einzusetzen.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Hauptanspruches gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei
zwischen dem Gehäuse
und dem Steuerknüppel
ein diesen umgebender steifer Federkäfig von kegelstumpfförmiger Gestalt
angeordnet. Dessen Federelemente sind einerseits mit kleiner Basisfläche am Gehäuse in der
Nähe der
gelenkigen Aufhängung
des Steuerknüppels
und andererseits mit großer
Basisfläche
an einer Rückstellscheibe
verankert, die praktisch ohne radiales Spiel längs des Steuerknüppels gleiten
kann.
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Erfindungsgemäß wird die
zum entlasteten Steuerknüppel
konzentrische Mantelfläche
des Federkäfigs
in Form des Hohlkegelstumpfes aus mehr als zwei Biegefederelementen
bestimmt. Die sind in der neutralen Mittelstellung des Steuerknüppels entspannt.
Wenn jedes dieser Federelemente linear ist, an seinen beiden Enden
biegesteif festgelegt ist und der Achse des Stellelementes gegenüber derart
geneigt angeordnet ist, daß die
gedachten Verlängerungen
(also die Kegelspitze) im Schwenkmittelpunkt der Aufhängung des
Steuerknüppels
im Gehäuse
liegen, dann führt
eine Querbelastung der Handhabe, also eine tendenzielle Auslenkung
des Steuerknüppels
um seine gelenkige Aufhängung
im Gehäuse
bei allen Federelementen gleichermaßen zu einer leicht S-förmigen Verformung
unter geringer axialer Verlagerung der Rückstellscheibe längs des
Steuerknüppels,
aber ohne Verdrehbewegung der Scheibe relativ zum Gehäuse; und
bei mechanischer Entlastung der Handhabe führt die Entspannung der Federelemente
zur Rückverlagerung
der Scheibe unter Rückführung des
Steuerknüppels
in seine konzentrisch zum Gehäuse
gegebene, unbelastete Ruhestellung.
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Weil
also die federelastische Rückstellkraft für den Steuerknüppel nun
vom Federkäfig
geliefert und deshalb nicht mehr aus den Detektoren gewonnen wird,
können
diese nun auch als berührungslos arbeitende
und deshalb vollkommen hysteresefrei ansprechende, gehäusefeste
Weg- oder Entfernungs-Sensoren realisiert sein, welche die Schwenk- oder
die Lateralbewegung der Rückstellscheibe
oder einer gesondert vom Steuerknüppel getragenen Meßscheibe
relativ zum Gehäuse
erfassen.
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Kurzgefaßt weist
also ein robustes aber dennoch leichtgängiges Stellelement mit höchst präzise eingenommener
Nullage, das nur auf eine Querbeanspruchung seiner aus dem Gehäuse herausragenden
Handhabe reagiert, einen im Gehäuse
im indifferenten Gleichgewicht gelenkig aufgehängten Steuerknüppel auf,
der erfindungsgemäß zum Rückführen in
seine Nullstellung von einem kegelstumpfförmigen Käfig aus Federelementen konzentrisch
umgeben ist, an welchen der Aufhängung
gegenüber
eine auf dem Steuerknüppel
verschiebbare Rückstellscheibe gelagert
ist, die zugleich als Meßscheibe
zur berührungslosen
Sensorabfrage dienen kann.
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Zu
näherer
Erläuterung
der Erfindung und ihrer Vorteile sowie Weiterbildungen und Alternativen wird
auf die weiteren Ansprüche
verwiesen, und auf nachstehende Zeichnungsbeschreibung eines bevorzugten
Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der
Zeichnung zeigt das Stellelement im Axial-Längsschnitt vereinfacht bei
stark übertriebenem
Auslenkwinkel.
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Das
erfindungsgemäß ausgelegte
Stellelement 11 weist ein topfförmiges Gehäuse 12 auf, dessen
massiver Boden 13 entgegen der Skizze nicht einteilig mit
der hohlzylindrischen Gehäuse-Wandung 14 ausgebildet
sein muß.
Der Boden 13 wird konzentrisch von einem Steuerknüppel 15 durchragt, der
als unsymmetrischer zweiarmiger linearer Hebel ausgebildet ist,
von dem das eine Ende als Handhabe 16 durch den Boden 13 hindurch
aus dem Gehäuse 12 herausragt.
Der Steuerknüppel 15 ist
mit einer Verdickung nach Art einer Kugel 17 direkt im
Boden 13 oder in einer dort eingesetzten Lagerschale 18 gelenkig
aufgehängt.
Zum Innern 19 des Gehäuses 12 hin
sich öffnend
schließt
sich konzentrisch im Boden 13 an diese Aufhängung eine
Bohrung 20 an, deren Durchmesser größer als derjenige des Steuerknüppels 15 ist,
um sicherzustellen, daß die
ohnehin nur sehr schwache Schwenkbewegung des Steuerknüppels 15 hier
beim Boden 13 keine Anschlagbegrenzungen erfährt.
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Der
Handhabe 16 gegenüber
trägt der
Steuerknüppel 15 ein
massives Rad 21, das als Auslenk-Anschlag gegen eine innerhalb
der Wandung 14 umlaufende massive Rippe 22 dient.
Das Rad 21 oder die Zentralöffnung 23 in der Rippe 22 sind
nicht achsparallel sondern kegelstumpfförmig berandet, damit das Rad 21 unter
großflächiger peripherer
Anlage der Abwälzflächen 25 aufeinander
mit seinem Gleitlager 24 ruckfrei geführt auf dem Steuerknüppel 15 umlaufen
kann, wenn der Steuerknüppel 15 manuell
kegelmantelflächenförmig bewegt
wird, weil mit der seitlich ausgelenkten Handhabe 16 eine
Kreisbewegung vollführt
wird.
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Wenn
der manuelle Druck zum seitlichen Auslenken der Handhabe 16 nachläßt, soll
der Steuerknüppel 15 sich
aus der skizzierten Auslenkung wieder in seine zum umgebenden Gehäuse 12 konzentrische
Ruhestellung zurück
bewegen. Das wird mittels Federelementen 26 bewirkt, die
beim Auslenken des Steuerknüppels 15 von
diesem dem Gehäuse 12 gegenüber gespannt
werden und dann unter Mitnahme des Steuerknüppels 15 in ihre vorspannungsfreie
Ruhestellung zurückfedern.
Dabei greifen die Federelemente 26 nicht unmittelbar am
Steuerknüppel 15 an,
sondern über
eine Rückstellscheibe 27,
mit welcher der Steuerknüppel 15 lose
längsverlagerbar
bestückt
ist und in der die Federelemente 26 vorzugsweise biegesteif
verankert sind. Gegenüberliegend
sind die Federelemente 26 in der Umgebung der Aufhängung, also
der Kugel 17 im Gehäuse 12 vorzugsweise
ebenfalls biegesteif befestigt.
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Die
Anordnung der mehr als zwei Federelemente 26 ist also derart,
daß sie
unter einseitiger biegesteifer Befestigung im Gehäuse-Boden 13 und
gegenüberliegend
unter biegesteifer Befestigung in der Rückstellscheibe 27 gewissermaßen die
zum Gehäuse 12 konzentrische
Wandung eines den Steuerknüppel 15 umgebenden
Käfigs 28 bilden.
Dessen Wandungselemente, also die Federelemente 27 erfahren
eine geringfügige
elastische Verbiegung, wenn mit dem Steuerknüppel 15 die Rückstellscheibe 27 aus
der konzentrischen Ruhelage im Gehäuse-Innern 19 geringfügig seitlich
verlagert wird. Das Entspannen der Verbiegung führt die Scheibe 27 und somit
den Steuerknüppel 15 in
die konzentrische Ruhelage zurück.
Mit dieser seitlichen Verlagerung geht eine leichte Längsverschiebung
auf dem Steuerknüppel 15 einher.
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Die
mindestens drei, vorzugsweise wenigstens vier hysteresefreien Federelemente 26 können grundsätzlich in
beliebiger Konfiguration Anwendung finden, etwa als kleine Formteil-,
Schrauben- oder Spiralfedern, und in beliebiger Ausrichtung zwischen dem
Gehäuse 12 und
der Rückstellscheibe 27 eingebaut
werden, etwa längs
einer Zylinderwandung und dabei achsparallel oder gegenüber der
Mittenachse 29 hyperboloidisch verschwenkt. Zu bevorzugen
sind aber einfache gerade Federdrähte, weil die nicht nur am
ehesten unterein ander gleiche Federkräfte aufweisen, sondern jedes
auch noch gleiche Federkräfte
in allen Biegerichtungen. Solche recht biegesteifen linearen Federdrahtstücke werden
bevorzugt, wie skizziert, längs
einer spitzwinkligen Kegelstumpfwandung, und somit jeweils in achssymmetrisch
peripher gegeneinander versetzten Axialschnittebenen gegenüber der
System-Mittenachse 29 spitzwinklig
geneigt, im spannungslosen Zustand jeweils an beiden Enden biegesteif
so zwischen dem Boden 13 und der Rückstellscheibe 27 eingebaut,
daß der
fiktive Kegelwinkel des kegelstumpfförmigen Käfigs 28 im Schwenk-
und Mittelpunkt 34 der Kugel 17 und somit im Schwenkpunkt 34 der
Handhabe 16 und damit des ganzen Steuerknüppels 15 liegt.
Bei dieser speziellen Käfiggeometrie
führt eine
beliebige Querbeanspruchung, also tendenzielle Auslenkung, der Handhabe 16 nicht
zu einer Verdrehbewegung der Rückstellscheibe 27,
sondern nur zu deren leicht verkippter Radialbewegung unter minimaler
axialer Verlagerung längs
des Steuerknüppels 15.
Das ist von Vorteil, weil dann die Bewegung der Rückstellscheibe 27 zugleich
als praktisch linear ansprechende Meßscheibe relativ zu berührungslos
abfragbaren, gehäusefesten
Weg- oder Abstandssensoren dienen kann. Das ist in der Skizze veranschaulicht
durch eine gehäusefest
C-förmige
Sensorhalterung 30 zur Aufnahme einer Bewegungskomponente
des dort hineingreifenden Randes der Scheibe 27, die in
der Zeichenebene orientiert ist; eine quer dazu (also hinter der
Zeichenebene) angeordnete Sensorhalterung würde dann die orthogonal dazu
gerichtete Bewegungskomponente erfassen, so daß über diese beiden kartesischen
Koordinaten die Schwenkbewegung der Scheibe 27 und somit
der Handhabe 16 meßtechnisch
erfaßt
wäre.
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Zum
biegesteifen Einbau der linearen Federelemente 26, die
sich bei Querbeanspruchung der Handhabe 16 alle gleichförmig leicht
S-förmig
verbiegen, sind wie skizziert jeweils beidseitig offene, miteinander
fluchtend durchlaufende Kanäle 31, 32 in den
Boden 13 bzw. in die Scheibe 27 eingearbeitet, durch
welche die entspannten Federelemente 26 in der neutralen,
koaxialen Ruhestellung der Scheibe 27 eingeschoben werden
können,
um dann durch Verpressen, Verkleben, Verschweißen o. dgl. darin zur Konfiguration
des koaxialen kegelstumpfförmigen Käfigs 28 fixiert
zu werden. In dieser Ruhestellung wirken also keine Federkräfte auf
die Scheibe 27 ein, was die Aufhängung des Steuerknüppels 15 an
seiner Kugel 17 und dadurch das Stellelement 11 insgesamt
lastfrei macht.
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Begrenzt
wird die Auslenkung der Federelemente 26 durch den Anschlag
des als Gegengewicht dimensionierten Rades 21 gegen die
gehäusefest umlaufende
Rippe 22. Die Rückstellscheibe 27 kann nicht
für diese
Anschlagfunktion herangezogen werden, weil sie bei kreisender Bewegung
der quer belasteten Handhabe 16 längs der Innenmantelfläche der
Gehäuse-Wandung 14 abrollen,
sich also mit ihrem Gleitlager 35 auf dem Steuerknüppel 15 verdrehen
und deshalb dann nicht mehr als querkraftabhängig auslenkende Sensor-Meßscheibe 27 verfügbar sein
würde.
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Für eine verkantungsfreie
Längsführung mittels
des Gleitlagers 35 auf der zylindrischen Oberfläche des
Steuerknüppels 15 ist
die mittels des Federkäfigs 28 im
Gehäuse 12 aufgehängte Rückstell-
und Meß-Scheibe 27 mittig
durch einen aufmontierten oder gleich einstückig mit ihr ausgebildeten
Ring 33 aufgedickt. Das dagegen der Handhabe 16 gegenüber vom
Steuerknüppel 15 getragene
Rad 21 dient als Gegengewicht zur Handhabe 16 und
ist derart bemessen, daß der
Steuerknüppel 15 über seine
Kugel 17 im Gehäuse 12 im
indifferenten Gleichgewicht aufgehängt ist. Daraus resultiert,
daß das
Stellelement 11 in beliebiger Raumrichtung angeordnet und betrieben
werden kann, ohne daß Rückwirkungen auf
die Nullstellung der Scheibe 27 und darüber auf die Sensorabfrage auftreten.
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Entgegen
der skizzierten bevorzugten Realisierungsform kann der Steuerknüppel 15 auch
bezüglich
der Handhabe 16 jenseits der Rückstellscheibe 27 schwenkgelagert
gehalten sein. Das würde
allerdings zur Folge haben, daß die
Rückstellscheibe 27 sich
gegenüber
dem Steuerknüppel 15 nicht
nur längsverlagert,
sondern zusätzlich
verschwenkt. Deshalb müßte dann
die Lagerung der Rückstellscheibe 27 auf
dem Steuerknüppel 15 als
ein Schwenklager ausgebildet werden, das seinerseits mit einem Gleitlager
zur – wenn
auch geringfügigen – Längsverlagerung
auf dem Steuerknüppel 15 zu
versehen wäre.
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Jedenfalls
ergibt sich erfindungsgemäß ein robustes
aber dennoch leichtgängiges
Stellelement 11, dessen Null-Lage sich zuverlässig einstellt.
Dieses Stellelement 11 wird durch Einbringen von Querkraft über einen
großen
Kraftbereich bedient. Wegen der ausbalancierten Aufhängung seines
Steuerknüppels 15 arbeitet
das Stellelement 11 in allen räumlichen Lagen ohne Rückwirkung
auf die neutrale Nullstellung. Da die Stahldrahtfedern, an denen
die Rückstellscheibe 27 im
Gehäuse 12 aufgeständert ist,
im Gegensatz zu Gummifedern praktisch hysteresefrei reagieren, ergibt
sich die präzise,
kraftfreie Nullstellung trotz damit auf Null zurück gehender Rückstellkräfte. Das
Stellelement 11 arbeitet extrem langzeitstabil, weil es
nur wenige bewegliche Funktionsteile aufweist und diese praktisch
keinem Verschleiß unterliegen.