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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur selbständigen Herstellung
elektrischer Steckverbindungen mit korrespondierenden Steckerhälften an
getrennten Anordnungen, insbesondere für den Einsatz im Raumfahrtbereich,
die zur selbständigen
elektrischen Kopplung zusammenführbar sind,
wobei eine Steckerhälfte
an einer Grundanordnung ausgebildet und eine aufzunehmende Anordnung
zuführbar
ist.
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Es
ist bekannt, selbständig
steckende elektrische Verbindungen in vielen Bereichen einzusetzen.
Dabei werden elektrische Stecker während des Steckvorganges üblicherweise über Führungsstifte
in zwei Achsen ausgerichtet, bevor die elektrische Kopplung in einer
dritten Achse erfolgt. Dabei wird vermieden, daß die elektrischen Kontakte
durch eine mangelnde Ausrichtung beschädigt werden. Im gesteckten
Zustand besteht hierbei der Mangel, daß keine dreidimensionale relativen
Verschiebungen zwischen den Steckelementen möglich sind.
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Damit
ist für
viele Einsatzgebiete es nicht möglich,
bekannte Anordnungen einzusetzen, ohne mechanisch betriebene Systeme
auszuführen.
Somit bestehen beim Einsatz im Raumfahrtbereich Mängel, bekannte
Systeme mit automatisch kontaktierenden Verbindungssystemen auszubilden,
um eine elektrische Verbindung herzustellen und zu lösen. So
besteht das Bedürfnis,
Lastpaletten in einen Space Shuttle während Start und Landung mit
Strom zu versorgen und dann im Orbit über Roboterarme aus dem Shuttle
mit Trennung der elektrischen Verbindung zu entnehmen. Zu einem
späteren
Zeitpunkt wird die Lastpalette wieder in den Shuttle zurückgeholt,
wobei dann die Steckverbindung selbständig wieder hergestellt werden
muß. Hierbei
ist zu berücksichtigen,
daß nur
mit großen
räumlichen
Abweichungen Lasten im Orbit in eine Ladebucht einsetzbar sind.
Zusätzlich treten
in diesen Fällen
bei Start und Landung Vibrationen zwischen beiden Systemen auf,
die aufgenommen werden müssen.
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Aus
der
EP 1 691 456 A1 ist
eine Anordnung zum selbständigen
Koppeln von elektrischen Steckerhälften bekannt, die zur selbständigen Kopplung zusammenführbar sind,
wobei eine Steckerhälfte
fest angeordnet und einer aufzunehmende Anordnung zuführbar ist.
Auch nach der
EP 1
602 547 A1 ist eine Anordnung zum selbständigen Koppeln
elektrische Steckverbindungen bekannt. Hierbei ist ein Steuerstempel
angeordnet, der einen zugeordneten Hebel eines Moduls einer Grundanordnung
zur Verstellung einer Steckerhälfte
in Steckrichtung, unter Ausbildung eines Übersetzungsverhältnisses
betätigt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße selbständige Herstellung von elektrischen
Steckverbindungen mit korrespondierenden Steckerhälften zu
verbessern, die eine Zuordnung der Steckerhälften mit großen räumlichen
Abweichungen ermöglicht
und eine dreidimensionale relative Verschiebung gewährleistet,
wobei auch zusätzlich
auftretende Oszillationen auf die Anordnungen ausgleichbar sind.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Grundanordnung
ein Modul mit einer zusätzlich
höheneinstellbaren
Steckerhälfte
trägt und
die aufzunehmende Anordnung ein Modul mit einer korrespondierenden über eine Druckfeder
gehaltene Steckerhälfte
aufweist, wobei die Module jeweils über zugeordnete Führungselemente
der aufzunehmenden Anordnung und der Grundanordnung zusammenführbar sind
und das Modul der aufzunehmenden Anordnung einen Steuerstempel aufweist,
der einem zugeordneten Hebel des Moduls der Grundanordnung zur vertikalen
Verstellung der Steckerhälfte
unter Ausbildung eines Übersetzungsverhältnisses
betätigt
und der Hebel auf einen zwischengeschalteten Kurbelantrieb einwirkt,
der eine Verstellung der Steckerhälfte mit einem Übersetzungsverhältnis durchführt, wobei
der Kurbelantrieb mit Zahnräder
gebildet ist, die über eine
Kurbelwelle verstellbar sind.
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Hierdurch
ist es möglich,
auf einfache Weise automatisch kontaktierende Verbindungssysteme auszubilden,
die einen Einsatz in der Raumfahrt mit dreidimensionalen relativen
Verschiebungen zwischen beiden Steckerhälften ermöglicht und mit relativ großen räumlichen
Abweichungen eine selbständige
elektrische Verbindung herzustellen, die auch Betriebszustände mit
Vibrationen standhält.
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Zur
Berücksichtigung
von auftretenden Vibrationen ist vorgesehen, daß nach Durchführung einer
elektrischen Kopplung der Steckerhälften der Steckverbindung die
Module beabstandet zugeordnet sind und bei äußeren Krafteinwirkungen über die Kurbelwelle
mit dem durch die Zahnräder
gebildeten Kurbelantrieb eine Ausgleichsbewegung der zugeordneten
Module einstellbar ist.
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Ferner
ist vorgesehen, daß die
Einstellung der Steckverbindung zwischen den Modulen über die zugeordneten
Zahnräder
derart erfolgt, daß bei
auftretenden Bewegungen der Module über die Zahnräder des
Kurbelantriebs ein kleineres Übersetzungsverhältnis als
beim Kopplungsvorgang ausgebildet wird.
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Um
eine anpassungsfähige
Einstellung auf einfache Weise durchzuführen, wird vorgeschlagen, daß die der
Steckerhälfte
zugeordnete Druckfeder im Modul der aufzunehmenden Anordnung über Seile vorgespannt
gehalten ist.
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Weiterhin
ist vorgesehen, daß die
Feder einen nicht linearen Anstieg der Federkraft aufweist.
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Zum
Schutz der elektrischen Kontakte der im Orbit verbleibenden Seite
vor Verunreinigung und atomarem Sauerstoff wird vorgeschlagen, daß mindestens
die aufzunehmende Anordnung mit ihrer Steckerhälfte über verschwenkbare Abdeckklappen einen
Zuführschacht
des Moduls verschließen
und über
das Modul der Grundanordnung mit der vertikalen Verstellung der
Steckerhälfte
eine Öffnungsstellung
der Abdeckklappen einstellbar ist.
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In
den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Moduls mit einer Steckerhälfte einer
aufzunehmenden Anordnung;
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2 eine
weitere Darstellung gemäß 1;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Moduls mit einer Steckerhälfte einer
Grundanordnung;
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4 eine
weitere Darstellung gemäß 3;
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5 eine
Schnittdarstellung einer Steckerhälfte der aufzunehmenden Anordnung;
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6 eine
Schnittdarstellung einer Steckerhälfte der Grundanordnung;
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7 eine
Darstellung der Steckerhälften zum
Beginn eines Steckvorganges;
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8 eine
Zuordnung der Steckerhälften
in einer zusammengeführten
Verbindung und
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9 eine
Zuordnung der Steckerhälften und
Berücksichtigung
von Vibrationen.
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Bei
der dargestellten Anordnung ist eine Anordnung für die Raumfahrt ausgeführt, wobei
eine nicht näher
dargestellte Grundanordnung in einem Shuttle angeordnet ist, der
eine Lastpalette zugeordnet wird und eine elektrische Verbindung
zwischen beiden Teilen nach Zuordnung herstellbar ist. Hierbei ist
mit z die Achsrichtung angegeben, in welcher die Lastpalette vertikal
zur Erzielung einer Steckverbindung angeordnet wird. Mit x und y
werden die Horizontalachsen bezeichnet, in denen während des Steckvorganges
Abweichungen zwischen beiden Seiten auszugleichen sind.
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Es
wurden bei dieser Ausführung
für die Lastpalette,
als im Orbit verbleibenden nicht wartbarer Teil, eine Realisierung
mit wenig beweglichen Teilen realisiert.
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In
der aufzunehmenden Anordnung als Lastpalette ist eine Steckerhälfte 1 in
einem Modul 3 mit seinen elektrischen Kontakten angeordnet,
das über eine
Feder 2 gehalten ist.
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Durch
Verformung der Federn 2 in x- oder y-Achse bzw. durch Rotation
oder in den x, y, z-Achsen können
Ausrichtungsfehler während
eines Steckvorganges oder bei auftretenden Vibrationen ausgeglichen
werden. Im verbundenen Ruhezustand wird die Feder 2 komprimiert,
damit bei möglichen
relativen Vibrationen in der z-Achse eine Verbindung aufrechterhalten
wird. Die Feder 2 wird durch drei Seile 4 vorgespannt
angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß genügend Federkraft vorhanden ist,
um elektrische Kontakt-Stifte in korrespondierenden Buchsen zu halten. Über diese
in der Länge
einstellbaren Seile 4 wird auch die Zentrierung der Steckerhälfte 1 vorgenommen.
Dabei kann über
den Anstellwinkel die Kraft bestimmt werden, die zum Auslenken der
Steckerhälfte 1 in
x- und y-Achse notwendig ist. Die parallel zur Feder 2 verlaufenden
Seile 4 bewirken eine geringe Querkraft und damit auch
eine instabile Zentrierung. Ein großer Anstellwinkel bewirkt eine
große
Kraft und damit auch eine sehr stabile Zentrierung. Entsprechend
den verfügbaren
Kräften kann
auch das Optimum eingestellt werden. Mit diesem System, das ohne
in Lagern rotierenden oder schiebenden Teilen auskommt, werden alle
Relativbewegungen zwischen zugeordnete Steckerhälften kompensiert. Die relative
Ausrichtung des Moduls 3 vor dem eigentlichen Steckvorgang
der elektrischen Kontakte wird über
Einführtrichter 6 als
Grobeinstellung und als Feinausrichtung über Trichter 7 durchgeführt. Die
Trichter 7 übernehmen
auch die mechanischen Lasten zwischen den Steckerhälften in
der x- und y-Achse. Das Modul 3 besitzt Abdeckplatten 9 vor
den elektrischen Kontakten der Steckerhälfte 1, die bei einer
Zusammenführung
aufgestoßen
werden und die elektrischen Kontakte der Steckerhälfte 1 im Orbit
vor Verunreinigung und atomarem Sauerstoff schützen.
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Die
Grundanordnung besitzt eine Steckerhälfte 10 korrespondierend
zur Steckerhälfte 1 in
einem Modul 11, wobei die Steckerhälfte 10 über das zuzuordnende
Modul 3 bei Annäherung
vertikal verstellbar ist. Hierzu ist ein Steuerstempel 5 zur
Betätigung
eines Ausfahrmechanismus angeordnet. Beim Zusammenführen der
Steckerhälften 1 und 10 beaufschlagt
zunächst.
der Steuerstempel 5 Rollen 16 und bewegt damit
einen Hebel 17. Dadurch wird eine Hilfswelle 18 gedreht
und damit auch ein Zahnradsegment 19. Dieses greift in
ein Zahnrad 20, wobei eine Kurbelwelle 21 und
auch Kurbeln 22 gedreht werden. Pleuel 23 verbinden
dabei die Kurbeln 22 mit dem Modul 11, das bei
dieser Bewegung mit der Steckerhälfte 10 nach
oben ausgefahren wird. Die Führung
des Moduls 11 übernimmt
eine Welle 24. Damit wird bei der Zusammenführung der
Steckerhälften 1 und 10 die
normale Annäherung
der Module 3 und 11 überlagert, indem ein Ausfahren
des Moduls 11 erfolgt. Dadurch wird erreicht, daß mit einer
kleinen Bewegung der im Shuttle als Grundanordnung verbleibende
Steckerhälfte 1 in
z-Achse, eine große
relative Bewegung zwischen beiden Modulen 3 und 11 erzeugt
wird. In dieser Ausbildung wird die Hilfswelle 18 während des
Steckvorganges mehr als 90° Grad
gedreht. Dadurch wird gleichzeitig gelöst, daß über die Module 3, 11 sehr
schnell zunächst über die
Trichter 6 und Zapfen 13 und dann über die
Trichter 7 bzw. Zapfen 14 eine Zentrierung erfolgt,
die Abdeckklappen 9 geöffnet
und die elektrische Steckverbindung hergestellt wird. Weiterhin
wird erreicht, daß sich
die beiden Module 3 und 11 und im gestreckten
Zustand bei relativer Bewegung zwischen den Steckerhälften 1 und 10 auch
ohne die Kraft der Feder 2 sich annähernd parallel bewegen, das
heißt
annähernd
den gleichen Abstand behalten, wenn sich die Steckerhälfte 1 weiter
in der z-Achse verschiebt – beispielsweise
durch Vibrationen bei Start und Landung – bewegt sich die Hilfswelle 18 über 90° hinaus und
das Modul 11 wird zurückgezogen,
so daß der
Abstand zwischen beiden Modulen 3 und 11 sich
nur wenig ändert.
Die verbleibenden Relativbewegungen werden von der Feder 2 kompensiert.
Dieser Effekt kann optimiert werden, wenn ein nicht rotationssymetrisches
Zahnrad-Paar 19/20 eingesetzt
wird, das ein veränderliches Übersetzungsverhältnis hat.
Bei der dargestellten Anwendung hat das Zahnradpaar 19/20 anfangs
ein Übersetzungsverhältnis von
6, und nach einer Drehung um 180° nur
noch ein Übersetzungsverhältnis von
3. Zusammen mit dem Kurbeltrieb 21, 22, 23 wird
damit erreicht, das bei Annäherung
zum einen die Steckerhälften 1 und 10 noch schneller
gesteckt werden, zum anderen das bei Vibrationen in z-Achse im gesteckten
Zustand zwischen den Modulen 3 und 11 fast keine
Relativbeweckung mehr auftritt. Die kleinen verbleibenden Relativbewegungen
werden von der Feder 2 kompensiert. Dadurch gibt es nur
eine kleine Amplitude des Systems bei Anregung in den Eigenfrequenzen.
Zunächst werden
praktisch gleichzeitig das Modul 3 durch Verbiegen der
Feder 2 über
die Trichter 6 und die Zapfen 13 grob zentriert
und die Klappen 9 geöffnet;
die Hilfswelle 18 hat sich dabei nur wenig gedreht. In
der gesteckten Ruheposition hat sich die Hilfswelle 18 um
fast 90° gedreht.
Bei einer weiteren Annäherung der
Steckerhälfte 1,
wie bei Vibrationen, dreht sich die Hilfswelle 18 bis ca.
130° und
zieht dabei das Modul 11 wieder zurück.
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Über die
Länge der
Kurbel 22, das Pleuel 23 und über die Form des Zahnradpaares 19/20 ist
das System an verschiedene Anforderungsprofile anpaßbar.
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Die
Relativbewegung zwischen den beiden Modulen 3 und 11 kann
als weitere Ausführungsform gegebenenfalls
auch durch eine Wippe verstärkt
werden. Das Längenverhältnis der
beiden Hebelarme wäre
dann ein freiwählbarer
Parameter. Beispielsweise wird bei einem Hebelverhältnis 4:1
die Relativbewegung um den Faktor 4 + 1 = 5 verstärkt. Bei
einem Hebelsystem vergrößern sich
aber auch unerwünschte
Bewegungen (Vibrationen) im gesteckten Zustand auf gleiche Art,
während
sie beim vorgenannten Kurbelmechanismus reduziert werden. Eine Wippe
ist daher dann eine geeignete Lösung,
wenn im gesteckten Zustand keine Relativbewegungen zwischen den
Steckerhälften 1 und 10 auftreten.
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Beim
Trennen der Steckerhälften 1 und 10 wird
die Steckverbindung automatisch durch Unterstützung von Abdruckfedern 15,
die in die Zapfen 14 integriert sind, gelöst. Hierdurch
werden bei einer Trennung der Verbindung die Reibungskräfte zwischen
den elektrischen Kontakten überwunden
werden. Über
Rückholfedern 25 wird
das der ausgefahrene Modul 11 auf der im Shuttle verbleibenden
Seite als Grundanordnung wieder in die Ausgangsposition zurückgeführt und
damit wieder für
eine selbsttätige Steckverbindung
vorbereitet, wenn die Ladeplattform wieder in den Shuttle zurückgeholt
werden soll.
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Für den Kurbelmechanismus
ist in diesem Fall noch ein zusätzliches
Federelement 26 angeordnet, um die Steckerhälften 1 und 10 bei
einer Zusammenführung
mit einer Drehung der Welle 21 über 90° wieder zurückzuführen, da dann auch das Modul 11 über den
oberen Totpunkt ausgefahren ist. Die Feder 2 erzeugt dann
nicht mehr ein Moment, daß die
Welle 21 in seine Ausgangslage zurückdreht; stattdessen würde das
System instabil und die Welle 21 würde sich bis zum unteren Totpunkt
weiterdrehen. Diese Drehung wird durch das Federelement 26 und
Seile (4) verhindert. Beide zusammen stellen ein nichtlineares
Federsystem dar. Bei der Ausgangsstellung 0° der Welle 21, bilden
die Seile (4) eine lose Schlaufe, das Federelement 26 ist
daher nicht gespannt und bewirkt keine zusätzliche Kraft auf die Hebel 17 bzw. Welle 21,
d. h. das Federelement 26 bewirkt keine Erhöhung der
Kraft beim Zusammenführen
der Steckerhälften 1 und 10.
Werden die Gehäuse 1 und 10 soweit
zusammengeführt,
daß die
Welle 21 über
90° gedreht
wird, so wird eine Verbindung durch die Seile 4 gespannt
und das Federelement 26 bewirkt eine Kraft, die der Feder 2 entgegenwirkt.
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Das
Steckersystem nutzt ein modulares Steckersystem 8, 12,
das heißt
abhängig
von der Anwendung werden nur die Steckkontakte eingebaut, die wirklicht
benötigt
werden. Dadurch wird erreicht, daß nur die maximal notwendigen
Kräfte
zum Stecken und Lösen
der Verbindung auftreten und trotzdem viele verschiedene Anforderungen
erfüllt
werden können.