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Die Erfindung betrifft eine Rasteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind mechanische Rasteinrichtungen bekannt.
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Nachteilig bei den bekannten mechanischen Rasteinrichtungen ist der dem Verschleiß unterliegende Aufbau der Rasteinrichtungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Rasteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit der eine einfache Möglichkeit gegeben ist, eine Rastung mit einer möglichst verschleißarmen Konstruktion, die eine hohe Standzeit hat, gering zu halten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch wird eine Rasteinrichtung geschaffen, die magnetisch ausgestaltet ist. Die Rasteinrichtung umfasst mindestens einen Stator mit Magneten wechselnder Polarität und mindestens einen relativ zum Stator drehbaren Rotor mit Magneten wechselnder Polarität zur Erzeugung eines von der Drehlage und dem Abstand der Magneten zueinander abhängigen Drehmoments auf die Drehachse des Rotors. Die Magnete sind als Permanentmagnete ausgeführt, so dass keine Verdrahtung der Rasteinrichtung vorgenommen werden muss, und die Rasteinrichtung als „abgeschlossenes” Bauteil verwendet werden kann. Die Rasteinrichtung ist mit der Drehachse gekoppelt, die ein Drehmoment der magnetischen Rasteinrichtung auf ein Drehelement übertragen kann. Die Magnete an dem mindestens einen Rotor und dem mindestens einen Stator sind so angeordnet, dass eine radiale Kraftkomponente aufgehoben wird, was einen verschleißarmen Gebrauch sicherstellt, indem nur eine geringe radiale Kraft auf eine Lagerung des Rotors wirkt und der Lagerverschleiß minimal ist. Ferner ist eine relative Ausrichtung von Stator und Rotor zueinander unter Anpassung einer auf die Drehachse ausgeübten Rastkraft vorgesehen. Mit der Einrichtung ist die Stärke der Rastkraft veränderbar.
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Bevorzugt ist der Rotor auf der Drehachse eines Drehelements, das verrastet werden soll, angeordnet zur Erzielung einer kompakten und einfachen Ausgestaltung. Es sind dann keine Umlenkelemente und weiteren miteinander in Eingriff stehenden oder kämmenden Elemente nötig, die Verschleiß ausgesetzt sind. Es wird eine kompakte Bauform erzielt.
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Vorzugsweise weist der Stator eine Ausnehmung zur axialen Lagerung der Drehachse des Rotors auf, so dass mit dem Stator eine Lagerung für die Drehachse des Rotors ausgebildet ist, was zu einem vereinfachten und kompakten Aufbau führt.
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Bevorzugt entspricht jeweils die Anzahl der Magnete des Stators und des Rotors der doppelten Anzahl Verrastungsschritte, wobei vorzugsweise die Magnete von Stator und Rotor symmetrisch zueinander entsprechend angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind zwei Statoren vorgesehen, zwischen denen der Rotor drehbar angeordnet ist. Ein Abstandshalter ist zwischen den Statoren vorgesehen, wobei die Magnete der Statoren und die Magnete des Rotors parallel zur Achse der Drehung des Rotors magnetisiert sind. Der Abstandshalter stellt den notwendigen Abstand für die Drehbewegung des Rotors gegenüber den Statoren sicher. Die Kraft der Magnete der beiden Statoren wirkt auf beide Seiten der Magnete im Rotor derart, dass sich die axiale Kraftkomponente im Rotor weitestgehend aufhebt. Damit wirkt nur eine geringe axiale Kraft auf die Lagerung des Rotors. Der Lagerverschleiß ist minimal.
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Vorzugsweise ist bei Verwendung der Magnetisierungsrichtung der Magnete in Richtung der Drehachse des Rotors die relative Ausrichtung von Stator und Rotor zueinander unter Anpassung einer ausgeübten Rastkraft durch eine variable relative Verdrehung der Statoren zueinander um die Drehachse des Rotors erreichbar, so dass eine einfache Möglichkeit gegeben ist, die Rastkraft anzupassen.
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Bevorzugt weisen die Magnete eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Achse der Drehung des Rotors auf, so dass die Anzahl der Magnete auf Stator und Rotor im Vergleich mit möglicherweise zwei Statoren und einem drehbar dazwischen angeordneten Rotor mit geringer axialer Kraft reduziert ist, wobei nahezu die gleichen geringen axialen Kräfte auf die Lagerung des Rotors wirken.
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Vorzugsweise ist zur relativen Ausrichtung von Stator und Rotor zueinander unter Anpassung einer auf die Drehachse (4) ausgeübten Rastkraft eine variable relative Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator quer zur Magnetisierungsrichtung möglich, so dass eine besonders einfache Möglichkeit gegeben ist, Rastkraft an die äußeren Vorgaben nachträglich anzupassen.
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Bevorzugt ist der Stator mit einem Feldrückführungselement ausgestaltet, um eine Beeinflussung anderer Bauteile als der Rasteinrichtung durch das Magnetfeld zu minimieren. Das bzw. die Magnetfelder der Rasteinrichtung wird in dem Feldrückführungselement zurückgeführt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rasteinrichtung im montierten Zustand;
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2 zeigt schematisch die Rasteinrichtung von 1 in einer teilweise zerlegten Darstellung;
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3 zeigt schematisch eine montierte Rasteinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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4a, 4b und 4c zeigen eine Möglichkeit einer Anpassung einer Rastkraft der Rasteinrichtung von 3.
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1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rasteinrichtung 7. Die Rasteinrichtung 7 ist magnetisch ausgestaltet und weist einen Rotor 8 mit Magneten 9 auf, die eine Magnetisierungsrichtung längs der Drehachse 4 des Rotors 8 aufweisen. Die Magnete 9 sind in Durchgangslöchern des Rotors 8 eingesetzt und um einen vorbestimmten Radius entfernt von der Drehachse 4 mit äquidistanten Abständen zueinander angeordnet. Zueinander benachbarte Magnete 9 weisen eine wechselnde Polarität auf, d. h. die Magnetisierungsrichtung von zueinander benachbarten Magneten 9 ist um 180° längs der Magnete gedreht. Die Magnetisierung der Magnete 9 ist durch die Angabe der Lage des magnetischen „N”ordpols bzw. „S”üdpols in den 1 und 2 wiedergegeben.
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Der Rotor 8 ist drehbar zwischen zwei Statoren 10 an der Drehachse 4 gelagert. Einer der Statoren 10 weist eine Lagerung 11 für die Drehachse des Rotors 8 auf. Die Statoren 10 weisen Magnete 9 auf, deren Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtung der Magnete 9 des Rotors 8 entspricht. Die Magnete 9 der Statoren 10 sind um den gleichen Abstand zur Drehachse 4 auf einem Radius angeordnet, wie die Magnete 9 des Rotors 8. Die Magnete 9 der Statoren 10 sind bei beiden Statoren 10 äquidistant zueinander in dem Radius um die Drehachse 4 angeordnet und entsprechen der Anzahl der Magnete 9 des Rotors 8. Zueinander benachbarte Magnete 9 der Statoren 10 weisen eine wechselnde Polarität zueinander auf.
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Der Rotor 8 wird sich aufgrund der wechselseitigen Anziehungen und Abstoßungen zwischen den Magneten 9 des Rotors 8 und der beiden Statoren 10 in eine „Ruhelage” bzw. „Rastlage” drehen, in der sich die wechselnden Polaritäten der Magnete 9 zwischen Rotor 8 und Statoren 10 entsprechen, dieser Fall ist in 2 anhand der gekennzeichneten Polaritäten der Magnete 9 dargestellt.
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Bei einer Bewegung bzw. Drehung der Drehachse 4 dreht sich der Rotor 8 zwischen den Statoren 10, wodurch aufgrund der magnetischen Felder in der magnetischen Rasteinrichtung 7 ein Drehmoment auf die Drehachse 4 ausgeübt wird. Im dargestellten Fall versucht die Rasteinrichtung 7 bis zu einer Drehung der Drehachse 4 um 45°, die Drehachse 4 in ihre ursprüngliche Lage, d. h. die „Ruhelage” bzw. „Rastlage” zurückzudrehen. Ab einem Winkel von über 45° kehrt sich die Situation um, und die magnetische Rasteinrichtung 7 übt ein Drehmoment auf die Drehachse 4 aus, um in eine von der ursprünglichen Lage um 90° verdrehte Lage der Drehachse 4, d. h. die nächste „Ruhelage” bzw. „Rastlage” zu gelangen. Bei der Drehung und der Erzeugung der Drehmomente wirken keine radialen Kraftkomponenten, diese sind aufgehoben.
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Wenn also die Drehachse 4 gedreht wird, übt die magnetische Rasteinrichtung 7 ein entgegengesetztes Drehmoment auf die Drehachse 4 aus. Ab ungefähr der Hälfte des Winkels zwischen den Ruhelagen bzw. Rastlagen kehrt sich die Richtung des auf die Drehachse 4 durch die magnetische Rasteinrichtung 7 ausgeübten Drehmoments um, d. h. ab ungefähr der Hälfte des Winkels zwischen drei aufeinanderfolgenden Magneten 9 wirkt eine „Anzugskraft” bzw. eine Kraft zur weiteren Drehung der Drehachse 4 in die Drehrichtung. Es wird eine leichte Verdrehung aus der Ruhelage in eine Vorspannung umgesetzt.
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Die Kraft der Magnete 9 der beiden Statoren 10 wirkt auf die beiden Seiten der Magnete 9 im Rotor 8 derart, dass sich die axiale Kraftkomponente im Rotor 8 weitestgehend aufhebt, wobei die radiale Kraft auf beide Seiten des Rotors 8 symmetrisch wirkt. Damit wirkt nur eine geringe radiale und axiale Kraft auf die Lagerung 11 des Rotors 8, wodurch ein Lagerverschleiß minimal ist.
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Durch die Anordnung der Magnete 9 an Rotor 8 und Statoren 10 wird ein von der Drehlage und dem Abstand der Magnete 9 zueinander abhängiges Drehmoment auf die Drehachse 4 unter Aufhebung einer radialen Kraftkomponente erzeugt. Auch die axiale Kraftkomponente ist vernachlässigbar.
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Das erzeugte Drehmoment, das von der Magnetkraft der Magnete 9, der Lage der Magnete 9 zur Achsmitte und dem Abstand der Magnete 9 zueinander abhängig ist, ergibt sich, da bei einer Änderung des Winkels zwischen dem Rotor 8 und den zwei Statoren 10 die Magnetpole auf jeder Seite des Rotors 8 von einer zuvor in der „Ruhelage” sich anziehenden gegenpoligen Lage in Richtung einer sich abstoßenden gleichpoligen Lage verdreht werden. Wird die Bewegung über die sich abstoßende gleichpolige Lage hinaus geführt, so „unterstützt” das dann wirkende Drehmoment die Bewegung der Drehachse 4 in die nächste „Ruhelage” bzw. „Rastlage”.
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Der Vollwinkel von 360° geteilt durch die halbe Anzahl der Magnete 9 des Rotors 8 ergibt ungefähr den Winkel zwischen aufeinanderfolgenden „Ruhelagen” bzw. „Rastlagen” der Drehachse 4, in denen kein Drehmoment durch die Rasteinrichtung 7 auf die Drehachse 4 ausgeübt wird. Entsprechend der acht Magnete 9 vom Rotor 8 und Stator 10 ist der Winkel zwischen aufeinanderfolgenden „Ruhelagen”, in denen die Rasteinrichtung 7 die Drehachse 4 quasi verrastet, 90°.
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Es ist ferner eine relative Ausrichtung der Statoren 10 zum Rotor 8 unter Anpassung einer auf die Drehachse 4 ausgeübten Rastkraft möglich und vorgesehen. Der „obere” Stator 10 und der „untere” Stator 10 können in entgegengesetzter Richtung gegeneinander aus ihrer „Ruhelage” um den gleichen Betrag ausgelenkt werden. Hierbei verschieben sich beide Magnetfelder gegenüber dem Rotor 8 derart, dass die Kraft zum Halten des Rotors 8 in einer „Ruhelage” bzw. „Rastlage”, d. h. die „Rastkraft”, verringert wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die beiden Statoren 10 zueinander eine Lagerung und/oder Führung aufweisen, so dass die Statoren 10 zueinander verdreht werden können. Zur Verringerung der „Rastkraft” wird einer der beiden Statoren 10 im Uhrzeigersinn um die Drehachse des Rotors 8 gedreht und der andere der beiden Statoren 10 gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse des Rotors 8 gedreht. Beispielsweise kann ein Stator 10 mindestens einen in einer Führung des anderen Stators 10 geführten Stift aufweisen, und die Führung verläuft kreisförmig mit einem vorbestimmten Radius um die Drehachse des Rotors 8, wobei die Statoren 10 zueinander in der gewünschten Stellung zueinander fixiert werden können. Die Führung kann in einem Abstandshalter zwischen den beiden Statoren 10 ausgebildet sein.
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Die Anpassung des Kraftverlaufs über den Drehwinkel ist durch die Lage der Magnete 9 auf dem Teilkreis der Komponenten in Grenzen wählbar. Bei der Konstruktion bzw. Herstellung von Rotor 8 und Stator 10 kann mit der Lage der Magnete 9 der Kraftverlauf angepasst werden. Der Kraftanstieg beim Initiieren der Bewegung der Drehachse 4 in einer vorbestimmten Drehrichtung kann flacher gewählt werden als bei der Bewegung in entgegengesetzter vorbestimmter Drehrichtung. Somit ist eine Optimierung des Kraft-Wege-Verhaltens an der Drehachse 4 über diese Art der Rastung mit der magnetischen Rasteinrichtung 7 erreichbar. Beispielsweise können die Magnete 9 nicht winkeläquidistant um einen Radius um die Drehachse 4 angeordnet sein, sondern der Abstand zum nächsten Magneten 9 der auf einem Radius angeordneten Magnete 9 aus der „Ruhelage” bzw. „Rastlage” ist größer bei einer Bewegung in der vorbestimmten Drehrichtung als entgegen dieser vorbestimmten Drehrichtung. Das heißt, der Winkel zwischen zwei Magneten 9 gleicher Polarität entspricht in etwa weiter dem Winkel zwischen den „Ruhelagen”, jedoch ist der zwischen diesen Magneten 9 angeordnete Magnet 9 weiter zum Magneten 9 der ersten „Ruhelage” entfernt als zum Magneten 9 der nachfolgenden „Ruhelage”.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetischen Rasteinrichtung 7 zu sehen. Der Rotor 8 weist Magnete 9 wechselnder Polarität auf, deren Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Achse der Drehung des Rotors 8 liegt. Die Magnete 9 sind winkeläquidistant am kreisförmigen Umfang des Rotors 8 angeordnet. Es sind acht Magnete 9 vorgesehen, deren Enden im gleichen vorbestimmten Abstand zur Drehachse des Rotors 8 liegen. Es wird eine punktsymmetrische Anordnung bezogen auf die Drehachse des Rotors 8 erreicht.
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Der Rotor 8 ist drehbar zu einem Stator 10 an seiner Drehachse 4 gelagert. Der Stator 10 weist Magnete 9 auf, deren Magnetisierungsrichtung der Magnetisierungsrichtung der Magnete 9 des Rotors 8 entspricht. Die Magnete 9 des Stators 10 sind um den gleichen Abstand zur Drehachse 4 auf einem Radius angeordnet, wie die Magnete 9 des Rotors 8. Die Magnete 9 des Stators 10 sind winkeläquidistant zueinander in dem Radius um die Drehachse 4 angeordnet und entsprechen der Anzahl der Magnete 9 des Rotors 8. Zueinander benachbarte Magnete 9 des Stators 10 weisen eine wechselnde Polarität zueinander auf.
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Der Rotor 8 wird sich aufgrund der wechselseitigen Anziehungen und Abstoßungen zwischen den Magneten 9 des Rotors 8 und der beiden Statoren 10 in eine „Ruhelage” bzw. „Rastlage” drehen, in der sich gegenpolige Magnete 9 des Rotors 8 und des Stators 10 anziehen.
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Bei einer anfänglich auf die Drehachse 4 ausgeübten Drehung dreht sich der Rotor 8 zum Stator 10, wodurch aufgrund der magnetischen Felder in der magnetischen Rasteinrichtung 7 ein Drehmoment ausgeübt wird. Die Beschreibung hinsichtlich der auftretenden Drehmomente ist analog zur Beschreibung der auftretenden Drehmomente der Rasteinrichtung 7 der 1 und 2. Bei der Drehung und der Erzeugung der Drehmomente wirken keine radialen Kraftkomponenten, diese sind aufgehoben.
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Durch die Anordnung der Magnete 9 an Rotor 8 und Stator 10 wird ein von der Drehlage und dem Abstand der Magneten 9 zueinander abhängiges Drehmoment auf die Drehachse 4 unter Aufhebung einer radialen Kraftkomponente erzeugt.
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Ferner ist eine relative Ausrichtung des Stators 10 zum Rotor 8 unter Anpassung einer auf die Drehachse 4 ausgeübten Rastkraft möglich und vorgesehen. Der Rotor 8 ist dazu variabel relativ gegenüber dem Stator quer zur Magnetisierungsrichtung verschiebbar. Die Verschiebung kann auf einfache Weise durch eine Verschiebung des Rotors 8 entlang der Drehachse erreicht werden. Der Rotor 8 kann dazu an unterschiedlichen Positionen der Drehachse fixierbar sein, so wie es in den 4a bis 4c dargestellt ist. Das heißt, der Rotor 8 ist verschieblich fixierbar an der Drehachse 4 befestigbar. Vorzugsweise wird durch eine Führung eine reine Verschiebung entlang der Drehachse sichergestellt, ohne dass es zu einer relativen Verdrehung von Rotor 8 zu Stator 10 um die Drehachse kommt. Die Kraft zum Halten des Rotors 8 in einer „Ruhelage” bzw. „Rastlage”, d. h. die „Rastkraft”, wird mit zunehmendem Abstand von den Magneten 9 des Stators 10 verringert.
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Die Anpassung des Kraftverlaufs über den Drehwinkel ist durch die Lage der Magnete 9 auf dem Teilkreis der Komponenten in Grenzen bei der in 3 und 4 dargestellten Rasteinrichtung ebenso möglich wie bei der in 1 und 2 dargestellten Rasteinrichtung.
