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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, Aktor und Sensor, in kompakter und energieeffizienter Bauweise zum Sperren oder Verriegeln einer Geräterolle, mit einer steuerbaren elektromechanischen Sperre oder Verriegelung für eine Laufrolle sowie eine elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik und -sensorik eingesetzt als Apparaterolle, Bettenrolle, Möbelrolle, Stuhlrolle, Transportrolle, etc., bestehend aus einem Gabelgehäuse, an welchem über ein Schwenklager eine Gabel drehbar gelagert ist, an welcher ein tragendes Rad angebracht ist, wobei die Geräterolle mit einer als Fahrtbeendigungsbremse – Leistungsbremse – arbeitenden Sperr- oder Verriegelungseinrichtung ausgestattet ist, mit der die Rotation des tragenden Rades zum Stillstand gebremst oder drehfest verriegelt und zum Drehen entriegelt werden kann, sowie die elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik- und -sensorik.
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Rollen- und Radsysteme werden vorwiegend für jede Art von Transportmittel für Warenbewegungen in der Logistik benötigt und eingesetzt, darüber hinaus bei innerhäusigen Anwendungen, wie Betten, Möbeln, Stühlen, etc., sowie im Bereich von Laboratorien, Praxen, Werkstätten, etc. für die Mobilisierung von Messgeräte-, Geräte- und Werkzeugwagen oder beweglichen Betriebsmitteln. Die Anforderungen an die jeweiligen Rollen- und Radsysteme sind unterschiedlich; neben der Forderung nach Leichtlaufeigenschaften sollen alle Arten von Lastgewichten bewältigt werden, die Lenkeigenschaften sollen sich auszeichnen, die Transportmittel sollen auf der Stelle sicher positioniert werden können. Es gibt Abhängigkeiten zwischen dem Fahren und dem Schwenken und auch zwischen dem Bremsen und dem Schwenken. Sperr- oder Verriegelungseinrichtungen sind in vielfältiger Weise ausgeführt worden; im Folgenden wird der Stand der Technik von Rollen mit Sperr- oder Verriegelungseinrichtung gewürdigt – insbesondere der Technikstand mit dem Schwerpunkt auf verschiedene Sperr- oder Verriegelungseinrichtungen und -systeme bei Rollen. Gemäß dem Stand der Technik sind, je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von unterschiedlichen Rollen mit verschiedenen Sperr- und Verriegelungseinrichtungen im Einsatz. Unterschieden wird z. B. nach der Ausgestaltung der Sperr- und Verriegelungsaktoren und den Eingriffspunkten derselben an der Rolle, direkt oder indirekt. Die verschiedenen Rollentypen sind ebenfalls Gegenstand der Betrachtung.
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Es sind eine Vielzahl von Laufrollen-Sperr- oder -Verriegelungsmechanismen und -aktoren bekannt, bei denen z. B. ein Bremselement reibschlüssig mit der Oberseite eines Radreifens oder einer entsprechenden Berandung in Eingriff gelangt oder bei welchen das Bremselement reibschlüssig oder mechanisch auf einen, sich innerhalb der Peripherie des Rades befindlichen Trommelabschnitt einwirkt; im Folgenden wird versucht, die bekannten Brems- und Verriegelungssystem-Applikationen beispielhaft in Kategorien darzustellen, die Brems- und Verriegelungsaktoren betreffend
- A. Reibungsbremse über Schwinge, Zunge-Reibschluss mit Rad
- B. Verriegelung über Zahnkranz, innen, radial innen
- C. Verriegelung über Zahnkranz, innen, radial außen
- D. Bremsung über Bremsbacke, innen, Reibschluss mit Rad oder Trommel
- E. Bremsung über Bremsbacke, außen, Reibschluss mit Rad
- F. Bremsung über Bremsbolzen, außen, Reibschluss mit Rad
- G. Bremsung über Bremshalter, Bremsständer
- H. Bremsung über Bremsfuß, Bremsstange.
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Nachteilig sind Oberflächenbeschädigungen des Rades bei allen Bremseinrichtungen, die direkt auf das Rad wirken, wie Kategorien A, D, E, F. Entweder reicht durch schleifende Bremsung die auf das Rad durch entsprechenden Winkel aufgebrachte Kraft für das Bremsen nicht aus (Kategorie A) oder die Kraft reicht aus und die Radoberflächen werden beschädigt (Kategorie E). Wenn Bolzen in Zahnkränze eingreifen, handelt es sich nicht um eine Bremsung im bekannten Sinne mit einem zeitlichen Ablauf, sondern um eine Sperrung/Verriegelung, bei der schlagartig die Rolle/das Rad zum Stillstand kommt, die nur mittels einer Kupplung oder nur im Stillstand geschaltet wird (Kategorien B, C).
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Die Behandlung der einzelnen Kategorien ist ausführlich in der Veröffentlichung Patentanmeldung
DE 10 2009 058 919 A1 / Gebrauchsmuster
DE 20 2009 017 461 U1 dargelegt und wird an dieser Stelle nicht weiter vertieft.
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Exemplarisch für die folgende Betrachtung wird die deutsche Offenlegung
DE 10 2009 009 028 A1 mit ihren Familienmitgliedern der Kategorie C näher behandelt. Diese Schrift offenbart ein Geräterad, das einen Geräteradkörper aufweist, an welchem über ein Schwenklager eine Gabel des Geräterades drehbar gelagert ist, an welcher ein tragendes Rad angebracht ist. Das Geräterad ist mit einer als Richtungsbremse und/oder Anhaltebremse dienenden Brems-/Verriegelungsvorrichtung ausgerüstet, mit der die Schwenkbewegung der Gabel verriegelt und des daran gelagerten Rades angehalten und in einem gewünschten Schwenkwinkel verriegelt und dementsprechend frei schwenkbar entriegelt werden kann und/oder mit der die Rotation des tragenden Rades zum Anhalten gebremst oder undrehbar verriegelt und zum Rotieren entriegelt werden kann. Dies geschieht durch am unteren Ende eines Wellenzapfens angebrachte Ver- und Entriegelungselemente, mit denen die Schwenk- und/oder Rotationsbewegung des tragenden Rades angehalten und freigegeben werden kann.
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Die Bremse oder ein ähnlicher Stopper des tragenden Rades weist an einer Stelle des Rades ein mit einer Verzahnung versehenes Rad oder eine direkt an der genannten anderen Seite des Rades ausgeführte Verzahnung sowie ein an einem Schenkel der Gabel entlang in radialer Richtung versetzbares, mit einem Verriegelungszapfen oder einem Verriegelungsanschlag versehenes Gleitelement auf, wobei durch Versetzen des Gleitelements in radialer Richtung nach innen der Verriegelungszapfen oder der Verriegelungsanschlag in die Verzahnung des tragenden Rades greift und das Rad unrotierbar verriegelt und entsprechend durch Versatz des Gleitelements radial nach außen, die Verriegelung zwischen der Verzahnung und dem genannten Verriegelungszapfen oder -anschlag freigibt.
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Für die Bremse des Geräterades ist außer der mechanischen Ausführungsform auch die mit elektrischem, pneumatischem oder hydraulischem Antrieb vorgesehen; bei dieser Verwirklichung kann die Bremsvorrichtung automatisch eingeschaltet werden und/oder als 'Toter-Mann-Steuerung' ausgeführt sein. Dazu wird das Geräterad mit einem Motor- oder Stellvorrichtungsabtrieb derart ausgerüstet, dass an dem oberen Teil des Geräteradkörpers ein Motor oder eine ähnliche elektrische, pneumatische oder hydraulische Stellvorrichtung vorgesehen ist, die den im Radkörper befindlichen Wellenzapfen in senkrechter Richtung verschieben, um die Rotation und die Schwenkung des Rades zu verriegeln oder zu entriegeln.
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Verriegelungseinrichtungen der Kategorien B und C werden auch als mechanische Sperren bezeichnet, da sie schlagartig wirken. Entweder ist sichergestellt, dass die Verriegelungseinrichtung nur im Stillstand geschaltet wird oder dass die Betriebsart 'Verriegeln' nur in Verbindung mit einer zusätzlichen Kupplung arbeitet. Weiterhin gestaltet es sich zum baulichen und/oder anwendungstechnischen Nachteil, den elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb oberhalb des Geräteradkörpers vorzusehen, da der Bauraum oberhalb des Rades üblicherweise für die Befestigung und Montage vorgesehen ist und so eine direkte Austauschbarkeit – zumindest hin zum motorisierten Rad – nicht unmittelbar gegeben ist. Sind für das so motorisierte Geräterad keine weiteren lokalen Steuerungsmechanismen vorgesehen, kann das Geräterad nicht autark betrieben werden und bedarf übergeordneter steuerungstechnischer Hilfsmittel in Verbindung mit der Applikation.
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Gemäß deutscher Patentschrift
DE 100 47 006 C2 wird eine Lenkrolle für Apparate, Möbel, Krankenbetten, etc., vorgestellt mit mindestens einem an einem Tragteil angeordnetem Rad und einem lastaufnehmenden, zwischen dem Tragteil und einer apparateseitigen Konstruktion fest angeordneten Hohlbolzen, der von einer auf eine Bremseinrichtung zur Schwenk-, Richtungs- und/oder Radfeststellung zumindest mittelbar einwirkenden Betätigungsstange durchgriffen wird, wobei die Bremswirkung teilweise durch ineinandergreifende Verzahnungen hervorgerufen wird, zwischen der Bremseinrichtung und der Betätigungsstange mindestens eine Ausgleichsfeder angeordnet ist und die gegenüberliegenden Verzahnungen mit im Wesentlichen rechtwinklig zum Zahngrund verlaufenden, in der Bremsstellung aneinander liegenden Zahnflankenbereichen versehen sind.
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Auch die Bremseinrichtung dieser Lenkrolle gehört zu der Kategorie C und weist die Eigenschaften der Kategorien B und C auf.
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Die Verzahnung ineinandergreifender Zähne beim Arretiervorgang ist als Flachverzahnung ausgeführt, die gegenüber einer Schrägverzahnung eine sichere Verriegelung und keine Gleitbewegung der Zähne aneinander aufweist. Ein Zusammenpressen der geschlossenen Verzahnung entfällt, es ist lediglich notwendig, die Bremseinrichtung in den unterschiedlichen Stellungen zu fixieren. Um das Finden von Zahn und Zahnlücke zu erleichtern, erhalten die Zähne der Außenverzahnung außerdem je eine keilförmige Ausgestaltung.
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Die im Hohlbolzen des Radträgers geführte Betätigungsstange ist das zentrale mechanische Schalt-, Stell- und/oder Steuerungselement, bewegt sich axial in der vertikalen Achse für das Ver- und Entriegeln der Drehbewegung des Rades und dreht in der Ebene für das Ver- und Entriegeln der Schwenkbewegung des Rades. Daher wird vorgeschlagen, die Bewegung der Betätigungsstange von außen zu beeinflussen. Beispielhaft wird eine Lösung mit einem Bowden- oder Seilzug vorgeschlagen, der mit Hilfe eines manuell betätigten Kniehebels gegen die Wirkung einer Federkraft die Betätigungsstange in ihrer axialen Lage beeinflusst. Weiterhin ist auch ein Hydraulikzylinder vorgesehen, der einen Antrieb für die Betätigungsstange darstellt, wobei die Betätigungsstange gegen eine Feder gedrückt und in axialer Richtung verschoben wird. Als weitere Lösung wird der Einsatz eines Schrittmotors vorgestellt, der sicherlich – wie bei dem Hydraulikantrieb – über ein entsprechendes Getriebe derart auf die Betätigungsstange einwirkt, dass sowohl die Position der Betätigungsstange in der Längsachse als auch die Position in der Drehachse beeinflusst und damit auch Brems- und Verriegelungswirkungen hinsichtlich Rotation und Schwenken auf das Rad ausgeübt werden können.
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Der Nachteil dieser Lösungsvorschläge liegt in dem Verlust der Bau- und Montagefreundlichkeit der Rolle; eine Austauschbarkeit einer mechanischen Rolle gegen eine elektromechanische Rolle ist ohne bauliche/konstruktive Veränderungen an der Applikation nicht möglich. Der Verbau der Rolle endet nicht – wie bisher – an einer mechanischen Schnittstelle zwischen Rolle und Applikation, sondern die Applikation muss für die Aufnahme der mechanisierten Rolle konstruktiv vorbereitet werden. Weiterhin müssen die aus Sicht der Rolle externen Schalt-, Stell- und Steuerungselemente von der Applikation aufgenommen werden; ggf. muss die Aufbereitung und Zurverfügungstellung von Energie ebenfalls seitens der Anwendung erfolgen. Das Zubehörteil Rolle wird zur Komponente eines Produkt- oder Systembaukastens der Applikation.
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Neben dem oben dargelegten Stand der Technik ist darüber hinaus aus der
US 5 315 290 A eine Diebstahlsicherung eines Einkaufswagens bekannt, welche an einem Einkaufswagen angeordnet ist. Hierbei weist der Einkaufswagen eine steuerbare elektromechanische Sperre oder Verriegelung für eine Laufrolle auf, welche aus einer Elektromagnetvorrichtung besteht, die auf ein Funksignal hin die Drehbewegung des Rades blockiert.
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Des Weiteren ist in der
DE 20 2005 011 625 U1 ein Transportwagen offenbart, insbesondere Einkaufswagen, bei dem an der Laufrolle ein über die Fahrbewegung des Transportwagens antreibbarer Stromerzeuger angeordnet und mit einem wiederaufladbaren Stromspeicher verbunden ist. Diese Vorrichtung kann mit einer so genannten Sicherungseinrichtung versehen sein, welche auf ein Funksignal hin die Motorsteuerung so ansteuert, dass die Fahrbewegung verhindert oder erschwert wird, also die Laufrolle gebremst wird.
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Letztlich beschreibt die
DE 10 2007 027 836 A1 ein Diebstahlschutzsystem für manuell bedienbare Transportwagen, bei dem lediglich an einer Stelle offenbart wird, dass man statt eines Elektromotors beispielsweise einen bistabilen Elektromagneten verwenden kann, den man zwischen zwei Positionen schalten kann, um ein Bremsband zu ziehen, damit eine Bremskraft ausgeübt wird.
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Die Aufgabe der jetzt vorliegenden Erfindung besteht zunächst darin, eine Geräterolle neuen Typs zu schaffen, mit dem der Einsatzkomfort der Lösung verbessert, die mit den Lösungen vom Stand der Technik verbundenen Nachteile vermieden, die Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten der Lösung vervielseitigt werden und mit der eine einfache und funktionssichere Lösung zum Bremsen/Stoppen der Rotation einer Geräterolle erzielt werden soll.
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Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Einrichtung, Aktor und Sensor, in kompakter und energieeffizienter Bauweise zum Sperren oder Verriegeln einer Geräterolle – insbesondere eine steuerbare elektromechanische Sperre oder Verriegelung für eine Laufrolle sowie die elektrische und informatorische Vernetzung der Rollenaktorik und -sensorik – zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wonach die Einrichtung ein elektrifiziertes Verriegelungsschaltwerk für das Rad betrifft, bestehend aus einem getasteten bistabilen mechanischen Schaltwerk, einem sensorgeführten Tauchankeraktor, der während der Schalthandlung mit Strom beaufschlagt ist, und einer energieautarken Steuereinrichtung, wobei der Aktor und die Einrichtung aus einer regenerativen Energiequelle mit wiederaufladbarem Zwischenspeicher versorgt und mittels einer bidirektional fernsteuerbaren Kontrolleinrichtung gesteuert und überwacht werden.
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Auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Die Geräterolle besteht aus einem Gabelgehäuse mit einer über ein Schwenklager drehbar gelagerten Gabel, die zum Rad hin durch eine Radaufnahme ausgeprägt ist. Als Fahrtbeendigungsbremse – Leistungsbremse – der Geräterolle ist eine Verriegelungsbremse der Kategorie B vorgesehen, mit einer Verriegelung über einen innenliegenden Zahnkranz mit einem radial nach innen weisenden Zahnprofil. Die Zahnprofilierung ist hier beispielhaft als dreieckförmig dargestellt, andere Profilierungen – wie eine Rechteck-, Sinus- oder Wellenform – sind denkbar. Die Ausführung der mechanischen Verbindung des Zahnkranzes mit dem Rad ist applikationsabhängig; sie kann direkt – ohne Kupplung – oder indirekt über eine vielfältig geartete Kupplung erfolgen.
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In die Zähne des Zahnkranzes greift beim Verriegelungsvorgang ein als Sperrklinke ausgebildetes Arretier-, Blockier- oder Bremsteil ein mit einer ebensolchen ausgebildeten gegenstückigen Zahnform wie die der Zähne des Zahnkranzes. Die Sperrklinke ist Teil eines bistabilen mechanischen Schaltwerks, welches auf wiederholten Wippendruck hin, von dem stabilen Zustand 'Bremse' in den stabilen Zustand 'Freilauf' und umgekehrt wechselt. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet ein V-förmiger Stößel gegen ein V-förmiges Schaltglied, welches bei Bewegung einen Nocken auf einer Gleitfläche der drehbar gelagerten Sperrklinke verfährt und diese in die 'Bremse'- oder 'Freilauf'-Stellung umschaltet oder umgekehrt und in dem jeweiligen Zustand verharren lässt.
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Der Stößel selbst ist auf einem drehbaren Wippbalken drehbar gelagert und wird über eine Druckfeder in einer Endstellung geführt. Gegen die Kraft der Druckfeder wirkt der Tauchankeraktor, in dem bei Stromfluss durch die Magnetspulen der Tauchanker in das Magnetfeld der Spulen hineingezogen wird und den Wippbalken über ein Loslager mitnimmt. Da der Stromfluss impulsartig über die Dauer der Schalthandlung erfolgt, kehren. Tauchanker und Wippbalken nach Stromabschaltung wieder in ihre Ausgangslagen zurück. Das Integral der Stromkurve über die Zeit ergibt die für eine Schalthandlung dem Stromspeicher entnommene Energiemenge, die der Batterie wieder zugeführt werden muss.
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Das Konzept der Schalthandlung beinhaltet, dass die stabilen Zustände des Schaltwerks durch die Mechanik gehalten und dass nur die Zustandswechsel über den Aktor herbeigeführt werden. Das bistabile Schaltwerk kann auch energiesparend als Sprungschaltwerk ausgebildet werden, wobei nur ein Teil des Hubs von dem Tauchanker zurückgelegt werden muss, da dann mittels Federkraft Stößel und Schaltglied in die jeweils andere Endlage 'springen'.
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Bei Anwendung eines alternativen Vorschlags der erfinderischen Neuheit kommt ein Schrittmotor mit Getriebe und selbsthemmendem Schneckentrieb zum Einsatz, wobei voraussichtlich die Außenverzahnung der Schnecke unmittelbar in eine entsprechende Verzahnung als Teilschneckenrad am Ende der Sperrklinke eingreift und diese zum Ent- und Verriegeln verfährt; Wippbalken, Stößel, Schaltglied, Nocken und Federn entfallen bei dieser Anordnung. Auch hier bestimmt die Stromkurve über dem zeitlichen Ablauf der motorischen Verstellung die verbrauchte Energiemenge.
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Die Position der Sperrklinke, die den Schaltwerks-Zustand widerspiegelt, kann messtechnisch mittels Wegmessung erfasst werden, außerdem kann am Tauchankeraktor eine Feldmessung mittels eines Magnetsensors erfolgen, so dass je nach erfolgter Messung eines Verfahrens ein Rückschluss auf den Zustand des bistabilen Schaltwerks gegeben ist. Eine Strommessung über die Einschaltzeit von Tauchankeraktor oder Motor hilft bei der Bestimmung der verbrauchten Energie und der Bemessung der wieder zurückzugewinnenden Energie.
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Eine weitere Ausprägungsform der erfinderischen Neuheit sieht vor, die Geräterolle energieautark zu elektrifizieren und fernsteuer- und abfragbar zu gestalten unter Beibehaltung ihrer kompakten Bauform und der standardisierten mechanischen Schnittstelle zwischen Rolle und Applikation. Packungsdichten von elektronischen Bauteilen erlauben in hohem Maße die Integration selbiger in mechatronischen Anwendungen auf engstem Raum; die Energiedichten pro Volumen von Stromspeichern lassen ebenfalls eine kompakte Bauform bei relativ großen Energiemengen zu. Durch Elektronik-Vergusstechnik ist ausreichend Schutz vor mechanischen und klimatechnischen Beeinflussungen gegeben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Elektrifizierung der Geräterolle derart vorgeschlagen, dass die Rolle um ein Elektronik-Paket bestehend aus Solarzelle, Tacho-/Bremsgenerator, Batterie/Stromspeicher, Funkmodul, Mikrokontroller und Aktor- und Sensor-Schnittstelle ergänzt wird. Eine autarke regenerative Energieversorgung der Rolle kann mittels einer Solarzelle und/oder eines Tacho-/Bremsgenerators in Verbindung mit einem Stromspeicher sichergestellt werden; Spannungszustände der Batterie und Ladekurven der Generatoren können über den Mikrokontroller eingestellt und überwacht werden. Der Mikrokontroller steuert Aktoren in Abhängigkeit von Vorgaben und Sensoreinstellungen; Vorgaben oder weiterzuverarbeitende Signale werden über ein Funkmodul nach außerhalb der Geräterolle kommuniziert, z. B. in einen Bedien-/Fahrschalter eines Fahrzeugs der innerbetrieblichen Logistik oder in den Fahr- und Bremsschalter eines elektrifizierten Kranken- oder Pflegebetts. Ein entsprechend ausgelegter Bremsgenerator kann ebenfalls als Bremseinrichtung Anwendung finden.
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Mit der Erfindung werden mehrere Vorteile gegenüber von Lösungen des Stands der Technik erzielt; an dieser Stelle seien einige im Besonderen genannt. Vorgestellt wird eine elektrifizierte Geräterolle mit einem energieeffizienten Verriegelungsschaltwerk, welches als Sprungschaltwerk ausgeführt, nur Stromimpulse für seine Aktorik benötigt. Eine energieautarke Steuereinrichtung sichert die regenerative Energieversorgung mittels Solarzelle und/oder Tachogenerator, steuert über einen Mikrokontroller die Aktorik in Abhängigkeit der Sensorik und kommuniziert außerhalb der Geräterolle drahtlos. Der mechanische Aufbau der Geräterolle lässt bei unveränderter Schnittstelle den Austausch passend zu vorhandenen Rollen – ohne konstruktive Änderungen – zu.
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Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen weiter verdeutlicht. Es zeigen
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1 Prinzipdarstellung des Verriegelungsschaltwerks
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2 Aufbau der energieautarken Steuereinrichtung.
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Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird fortgesetzt anhand der Erläuterung der Figuren.
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Wie aus 1 ersichtlich, offenbart die Ausgestaltung der Erfindung, dass die Einrichtung ein elektrifiziertes Verriegelungsschaltwerk 2 für eine Geräterolle 1 mit einem Geräterad 10 betrifft, bestehend aus einem getasteten bistabilen mechanischen Schaltwerk 30, einem sensorgeführten Tauchankeraktor 20 und einer energieautarken Steuereinrichtung 70, wobei der Tauchankeraktor 20 und die Einrichtung aus einer regenerativen Energiequelle 71, 72 mit wiederaufladbarem Zwischenspeicher 73 versorgt und mittels einer bidirektional fernsteuerbaren Kontrolleinrichtung 74, 75 gesteuert 76 und überwacht 77 werden.
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Die Geräterolle 1 besteht aus einem Gabelgehäuse mit einer über ein Schwenklager drehbar gelagerten Gabel, die zum Geräterad 10 hin durch eine Radaufnahme ausgeprägt ist. Als Fahrtbeendigungsbremse – Leistungsbremse – der Geräterolle 1 ist eine Verriegelungsbremse der Kategorie B vorgesehen, mit einer Verriegelung über einen innenliegenden Zahnkranz 12 mit einem radial nach innen weisenden Zahnprofil 13. Die Zahnprofilierung ist hier beispielhaft als dreieckförmig dargestellt 14, 15, 16, andere Profilierungen – wie eine Rechteck-, Sinus- oder Wellenform – sind denkbar. Die Ausführung der mechanischen Verbindung des Zahnkranzes mit dem Geräterad 10 ist applikationsabhängig; sie kann direkt – ohne Kupplung – oder indirekt über eine vielfältig geartete Kupplung erfolgen.
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In die Zähne 13 des Zahnkranzes 12 greift beim Verriegelungsvorgang ein als Sperrklinke 61 der Schwinge 60 ausgebildetes Arretier-, Blockier- oder Bremsteil ein mit einer ebensolchen ausgebildeten gegenstückigen Zahnform 63 wie die der Zähne 13 des Zahnkranzes 12. Die Sperrklinke ist Teil eines bistabilen mechanischen Schaltwerks 30, welches auf wiederholten Wippendruck hin, von dem stabilen Zustand 'Bremse' in den stabilen Zustand 'Freilauf' und umgekehrt wechselt. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet ein V-förmiger Stößel 43 einer Wippe 40 gegen ein V-förmiges drehbar 52 gelagertes Schaltglied 51 eines Schalters 50, welches bei Bewegung einen in einer Führung 55 federnd (Druckfeder) 53 gelagerten Nocken 54 auf einer Gleitfläche 66 der drehbar (Drehpunkt) 62 gelagerten Sperrklinke 61 verfährt und diese in die 'Bremse'- oder 'Freilauf'-Stellung umschaltet oder umgekehrt und in dem jeweiligen Zustand verharren lässt. Bei der Schalthandlung zwischen Stößel 43 und Schaltglied 51 kontaktieren je nach Schaltstellung von Stößel 43 und Schaltglied 51 der Schalthebel 1 (Bezugsziffer 44) die Eingriffsstelle 1 (Bezugsziffer 56) und der Schalthebel 2 (Bezugsziffer 45) die Eingriffsstelle 2 (Bezugsziffer 57) mechanisch in Mitnehmerfunktion.
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Der Stößel 43 selbst ist auf einem drehbaren 42 Wippbalken 41 der Wippe 40 drehbar 46 gelagert und wird über eine Druckfeder 48 mit Gegenlager 49 in einer Endstellung geführt. Gegen die Kraft der Druckfeder 48 wirkt der Tauchankeraktor 20, in dem bei Stromfluss durch die Magnetspulen 22 der Tauchanker 23 in das Magnetfeld der Spulen hineingezogen wird und den Wippbalken 41 über eine Aufnahme 47 und ein Loslager 28 mitnimmt. Da der Stromfluss impulsartig über die Dauer der Schalthandlung erfolgt, kehren Tauchanker 23 und Wippbalken 41 nach Stromabschaltung wieder in ihre Ausgangslagen zurück. Das Integral der Stromkurve über die Zeit ergibt die für eine Schalthandlung dem Stromspeicher 73 entnommene Energiemenge, die der Batterie wieder zugeführt werden muss.
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Der Tauchankeraktor 20 besteht aus einem magnetisch leitfähigen, üblicherweise zylinderförmigen Gehäuse 21, in welches eine ebenfalls zylinderförmige Magnetspule 22 eingebracht ist, die in ihrem Innern einen Luftspalt 24 freigibt für die Führung eines ferromagnetischen Tauchankers 23. Der Tauchanker 23 ist so ausgeprägt, dass er sich langfristig nicht aufmagnetisiert und mit dem magnetisch leitenden Gehäuse 21 einen dauerhaften magnetischen Kreis schließt. Der magnetische Kreis von Gehäuse 21, Spule 22 und Anker 23 wird über einen leitfähigen Kurzschlussring 26 verstärkt. Die Wicklungsenden der Spule 22 sind als Anschlüsse für die Stromversorgung 25 nach außen geführt. Mit einem zusätzlich verbauten Magnetsensor 27 wird der Feldaufbau je nach Messverfahren qualitativ oder quantitativ erfasst; die erzeugte Kraft verhält sich proportional zu Windungszahl x Stromfluss.
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Das Konzept der Schalthandlung beinhaltet, dass die stabilen Zustände des Schaltwerks 30 durch die Mechanik gehalten und dass nur die Zustandswechsel über den Tauchankeraktor 20 herbeigeführt werden. Das bistabile Schaltwerk kann auch energiesparend als Sprungschaltwerk ausgebildet werden, wobei nur ein Teil des Hubs von dem Tauchanker 23 zurückgelegt werden muss, da dann mittels Federkraft Stößel 43 und Schaltglied 51 in die jeweils andere Endlage 'springen'.
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2 zeigt gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Elektrifizierung 70 der Geräterolle 1 derart, dass die Geräterolle 1 um eine Solarzelle 71, Tacho-/Bremsgenerator 72, Batterie/Stromspeicher 73, Funkmodul 74, Mikrokontroller 75 und Aktor- 76 und Sensor-Schnittstelle 77 ergänzt wird. Eine autarke regenerative Energieversorgung der Geräterolle 1 kann mittels der Solarzelle 71 und/oder des Tacho-/Bremsgenerators 72 in Verbindung mit dem Stromspeicher 73 sichergestellt werden; Spannungszustände der Batterie 73 und Ladekurven der Generatoren 72 können über den Mikrokontroller 75 eingestellt und überwacht werden. Der Mikrokontroller 75 steuert Aktoren 20 in Abhängigkeit von Vorgaben und Sensoreinstellungen von Magnetsensor 27 und Wegmessung 67; Vorgaben oder weiterzuverarbeitende Signale werden über das Funkmodul nach außerhalb der Geräterolle 1 kommuniziert. Ein entsprechend ausgelegter Bremsgenerator 72 kann ebenfalls als Bremseinrichtung Anwendung finden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Position der Sperrklinke 61, die den Schaltwerk-Zustand 30 widerspiegelt, messtechnisch durch eine Wegmessung 67 erfasst, außerdem erfolgt am Tauchankeraktor 20 eine Feldmessung mittels eines Magnetsensors 27, so dass je nach erfolgter Messung mittels eines oder beider Verfahren ein Rückschluss auf den Zustand des bistabilen Schaltwerks gegeben ist. Eine Strommessung über die Einschaltzeit von Tauchankeraktor 20 oder Motor hilft bei der Bestimmung der verbrauchten Energie und der Bemessung der wieder zurückzugewinnenden Energie.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Verriegelungsschaltwerk 2 ohne eine Kupplung zwischen Rad 10 und Verzahnung 12 zu betreiben und über eine Wegmessung an der Verzahnung oder an der Felge des Geräterades 10 oder über die abgegriffene Tachogenerator-Spannung vor dem Schalten des bistabilen Schaltwerks 30 den Stillstandzustand des Geräterades 10 abzufragen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird in Abhängigkeit des Energiebedarfs des Stromspeichers 73 alternativ die Solarzelle 71 oder der Tachogenerator 72 als Versorger zugeschaltet; die Ladekontrolle durch Messung der Spannungshöhe erfolgt mittels Sensor und der Vergleich von Ist- und Soll-Spannung und die Zuschaltung des Ladestroms durch den Mikrokontroller 75.
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Die vorgestellte erfinderische Neuheit wird ebenfalls auf eine Geräterolle 1 mit Verriegelungseinrichtung 2 und Geräterad 10 mit innenliegendem Zahnkranz 12 mit nach außen weisenden Zähnen 13, Bremseinrichtung der Kategorie C, übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Geräterolle
- 2
- Verriegelungsschaltwerk
- 10
- Geräterad
- 11
- Bereifung
- 12
- Verzahnung, Zahnkranz
- 13
- Zahn, Zahnprofil
- 14
- Zahngrund
- 15
- Zahnspitze
- 16
- Zahnflanke
- 20
- Tauchankeraktor
- 21
- Gehäuse, magnetisch leitfähig
- 22
- Magnetspule
- 23
- Tauchanker
- 24
- Luftspalt, zylinderförmig
- 25
- Anschluss, elektrisch
- 26
- Kurzschlussring
- 27
- Magnetsensor
- 28
- Aufhängung, Loslager
- 30
- Schaltwerk, bistabil
- 40
- Wippe
- 41
- Wippbalken
- 42
- Drehachse, ortsfest
- 43
- Stößel
- 44
- Schalthebel 1
- 45
- Schalthebel 2
- 46
- Drehlager
- 47
- Aufnahme
- 48
- Druckfeder
- 49
- Gegenlager
- 50
- Schalter
- 51
- Schaltglied
- 52
- Drehachse
- 53
- Druckfeder
- 54
- Gleithülse, Nocke
- 55
- Führung
- 56
- Eingriffsstelle 1
- 57
- Eingriffsstelle 2
- 60
- Schneide, Schwinge
- 61
- Bremsteil, Sperrklinke
- 62
- Drehpunkt
- 63
- Zahn
- 64
- Zahnspitze
- 65
- Zahnflanke
- 66
- Bewegungs-, Gleitbahn
- 67
- Wegmessung
- 70
- Steuereinrichtung, energieautark
- 71
- Photovoltaik. Solarzelle
- 72
- Brems-, Tachogenerator
- 73
- Batterie, Stromspeicher
- 74
- Funkmodul
- 75
- Mikrokontroller
- 76
- Aktor-Interface, -Schnittstelle
- 77
- Sensor-Interface, -Schnittstelle
