DE19705098A1

DE19705098A1 - Hebelgetriebe zur Übertragung eines Drehmomentes

Info

Publication number: DE19705098A1
Application number: DE1997105098
Authority: DE
Inventors: Oliver Schoene
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-08-06

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der mechanischen Getriebe und befaßt sich mit der konstruktiven Ausgestaltung eines He belgetriebes, das zur Übertragung eines Drehmomentes von ei ner ersten Achse auf eine parallel dazu angeordnete zweite Achse dient und vorzugsweise als Antriebsmechanismus für den beweglichen Schaltkontakt eines Hochspannungsschalters ver wendet wird.

Hebelgetriebe zur Übertragung eines Drehmomentes von einer ersten Achse auf eine parallel dazu angeordnete zweite Achse bestehen im einfachsten Fall aus einem ersten einarmigen, auf der Antriebswelle der ersten Achse fixierten Hebel, einem zweiten, einarmigen, auf der angetriebenen Welle der zweiten Achse fixierten Hebel und einer die beiden Hebel verbindenden Koppelstange. Derartige Hebelgetriebe werden u. a. zum Antrieb des beweglichen Schaltstückes von Trenn- und Erdungsschaltern in gekapselten Hochspannungsschaltanlagen verwendet (DE 31 26 745 A1, US 4,429,199 A, Teile 32, 33, 43 und 44). Zur Umsetzung der Drehbewegung des zweiten Hebels in die Be wegung des Schaltstückes ist häufig ein weiteres Getriebeele ment erforderlich, beispielsweise eine Kulissenführung oder eine weitere Koppelstange (Prospekt 42 B1 "SF₆-Outdoorcircuit breakers 72,5 to 420 kV" der Fa. Sprecher & Schuh AG, Druck- Zeichen 2.257 e/1.83/52/6, Seite 4). Bei derartigen Hebelge trieben ergibt sich ein sinusförmiger Verlauf der Drehmoment kopplung in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Antriebswelle, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen dem antreibendem Drehmoment und dem resultierenden Drehmoment an der Abtriebs welle durch das Längenverhältnis der beiden Hebel bestimmt ist. Die größte Krafteinwirkung auf das bewegbare Schaltstück erfolgt dabei wegen der elektrischen und der daraus resultie renden geometrischen Randbedingungen der Schaltstrecke häufig vor der eigentlichen Kontaktgabe bzw. nach der eigentlichen Kontakttrennung.

Ausgehend von einem Getriebe mit den Merkmalen des Oberbe griffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufga be zugrunde, die Drehmomentkopplung zwischen antreibender und angetriebener Achse so zu gestalten, daß die Krafteinwirkung auf die angetriebene Achse an den Kraftbedarf des angetriebe nen Elementes (z. B. eines Schaltstückes) besser angepaßt wer den kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Koppelstange und der erste einarmige Hebel über einen zweiarmigen Hebel miteinander verbunden sind, der ein von der Stellung des ersten einarmigen Hebels abhängiges Hebelver hältnis aufweist.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Zwischenschaltung eines zweiarmigen Hebels mit einem von der Stellung des ersten ein armigen Hebels abhängigen Hebelverhaltnis hat einerseits die Wirkung eines Multiplikators auf die am zweiten Hebel angrei fende Kraft, wobei das Hebelverhältnis praktisch den Wertbe reich 1 bis 10 umfassen kann. Ein solcher Wertbereich läßt sich durch eine im Mittelteil des zweiarmigen Hebels angeord nete kulissenartige Führung und einen ortsfesten Führungs stift erreichen, also beispielsweise durch eine lineare Füh rung in Form eines Langloches, mit der der zweiarmige Hebel auf einem den Drehpunkt des Hebels bildenden Führungsstift aufsitzt. Die Zwischenschaltung des zweiarmigen Hebels er möglicht andererseits, die maximale Krafteinwirkung auf den angetriebenen, also den zweiten einarmigen Hebel bezüglich seines Drehwinkels derart zu verschieben, daß das maximale Drehmoment mit dem maximalen Hebelkraftbedarf des bewegten Teiles (Schaltstückes) möglichst übereinstimmt. Demzufolge ermöglicht das neue Hebelgetriebe eine bessere Ausnutzung der Antriebsenergie, gegebenenfalls eine kleinere Dimensionierung des eigentlichen Antriebes.

Wenn man ein derartiges Hebelgetriebe in ein rechtwinkliges Koordinatensystem einzeichnet und den Drehpunkt des zweiarmi gen Hebels in den Ursprung und den Drehpunkt des ersten ein armigen Hebels in den zweiten oder dritten Quadranten legt, dann würde die Bewegungskurve des zweiten einarmigen Hebels im ersten oder vierten Quadranten liegen.

Unter Berücksichtigung der geometrischen Beziehungen zwischen den einzelnen Elementen des Hebelgetriebes stehen das An triebsdrehmoment und das Abtriebsdrehmoment zueinander in ei ner mathematischen Beziehung, wie sie im Patentanspruch 4 an gegeben ist. Diese Beziehung läßt deutlich die zusätzliche Abhängigkeit des Abtriebsdrehmomentes von dem sich ändernden Hebelverhältnis l₁/l₂ des zweiarmigen Hebels und von durch die Einfügung des zweiarmigen Hebels zusätzlich relevanten Winkeln β, ϕ₁ und ϕ₂ erkennen. Durch unterschiedliche Wahl dieser Parameter kann das Maximum des Abtriebsdrehmomentes einerseits vergrößert und andererseits zu einem anderen Dreh winkel der Abtriebswelle hin verschoben werden.

Ein Ausführungsbeispiel des neuen Hebelgetriebes ist in

Fig. 1 schematisch dargestellt. Weiterhin zeigt

Fig. 2 ein Diagramm mit Bewegungskurven für die drei Ge lenkpunkte eines solchen Hebelgetriebes und

Fig. 3 ein Diagramm mit drei verschiedenen Kurven für das am Polhebel eines Trennschalters einer Hochspan nungsschaltanlage zur Verfügung stehende Drehmoment in Abhängigkeit vom Drehwinkel dieses Polhebels.

Gemäß Fig. 1 ist das Hebelgetriebe in ein rechtwinkliges x-y-Koordinatensystem eingezeichnet. Die Achse 1 der An triebswelle liegt im zweiten Quadranten. Auf dieser Achse ist der Antriebshebel 2 angeordnet, dessen Lange a beträgt, der in Umfangsrichtung der Welle angetrieben wird und dabei einen Drehwinkel α überstreicht. Im Koppelpunkt P₁ ist der zweiar mige Hebel 6 angelenkt, dessen Drehpunkt 7 im Koordinatenur sprung liegt und an dessen anderes Ende im Punkt P₂ die Kop pelstange 5 angelenkt ist. Diese ist andererseits an den Ab triebshebel 4 angelenkt, der auf einer Welle, beispielsweise der Polwelle eines Schalters, mit der Achse 3 befestigt ist, eine Länge b aufweist und bei Drehung des Antriebshebels 2 eine hin- und hergehende Drehbewegung mit dem Drehwinkel π ausführt. - Der zweiarmige Hebel 6 enthält im mittleren Be reich seiner Länge eine lineare Führung in Form eines Langlo ches 8, in die ein als Drehpunkt dieses Hebels ausgebildeter Stift 7 eingreift. Die Länge des Hebels 6 ist mit l bezeich net und die Abstände der Koppelpunkte P₁ und P₂ vom Führungs stift bzw. Drehpunkt 7 mit l₁ und l₂.

In die Fig. 1 sind verschiedene Abstände und Winkel einge tragen, die der Berechnung des Hebelsystems dienen und die nachfolgend aufgelistet sind. Es bedeuten
x₁, y₁ Koordinaten der Antriebswelle
x₂, y₂ Koordinaten der Abtriebswelle/Polwelle
P₁ Gelenkpunkt 1 (Antriebshebel/zweiarmiger Hebel)
P₂ Gelenkpunkt 2 (zweiarmiger Hebel/Koppelstange)
P₃ Gelenkpunkt 3 (Koppelstange/Abtriebshebel)
α Drehwinkel des Antriebshebels
β Drehwinkel des zweiarmigen Hebels
π Drehwinkel des Abtriebshebels (Polhebel)
γ Winkel zwischen Abtriebshebel und Abstand v
δ Winkel zwischen Abstand v und Abstand t
ϕ₁ Winkel zwischen zweiarmigem Hebel und Abstand v
ϕ₂ Winkel zwischen Abstand v und Koppelstange
σ Winkel zwischen Abtriebshebel und Koppelstange
ϑ Winkel für Polarkoordinaten von Abstand t (konstant)
a Länge des Antriebshebels
b Länge des Abtriebshebels/Polhebels
l Länge des zweiarmigen Hebels
l₁ Längenanteil des zweiarmigen Hebels zum Gelenkpunkt 1
l₂ Längenanteil des zweiarmigen Hebels zum Gelenkpunkt 2
k Länge der Koppelstange/Abstand zwischen Gelenkpunkt 2 und Gelenkpunkt 3
v Abstand zwischen Drehpunkt Abtriebshebel und Gelenk punkt 2 (variabel)
t Abstand zwischen Drehpunkt Abtriebshebel und Füh rungsstift (konstant).

Unter Berücksichtigung der geometrischen Zusammenhänge zwi schen diesen Abständen und Winkeln ergibt sich für das am Koppelpunkt P₃ zur Verfügung stehende Drehmoment M_dp in Abhän gigkeit von dem am Koppelpunkt P₁ eingespeisten Drehmoment M_da folgende Beziehung:

Für einzelne Parameter dieser Formel gelten die im Patentan spruch 4 angegebenen Gleichungen.

Für ein Hebelgetriebe mit den Koordinaten
x₁, y₁ = -300, +50
x₂, y₂ = +60, +300 und den Hebellängen
a = 71 mm,
b = 150 mm und
l = 430 mm
erhält man die in Fig. 2 dargestellten Bewegungskurven Bk1, Bk2 und Bk3 für die Gelenkpunkte P₁, P₂ und P₃.

Fig. 3 zeigt drei Kurven, die Drehmomentverläufe am Koppel punkt P₃ in Abhängigkeit vom Drehwinkel π des Abtriebhe bels/Polhebels 4 darstellen. Dabei ist angenommen, daß der Antriebshebel a einen Winkel von 360° überstreicht; die Win kelstellungen des Antriebshebels a sind dabei in Stufen von 15° auf der jeweiligen Kurve markiert.

Die Kurve H₀ zeigt den Drehmomentverlauf für ein Hebelgetrie be, das ohne einen zweiarmigen Hebel mit veränderlichem He belverhältnis arbeitet, während die Kurven H₁ und H₂ Drehmo mentverläufe für Hebelgetriebe mit einem zweiarmigen Hebel mit veränderlichem Hebelverhältnis zeigen. Bei der Kurve H₀ wird das maximale Drehmoment ungefähr bei der Winkelstellung α = 60° erzielt; dieser Punkt wird bei knapp der Hälfte des gesamten Poldrehwinkels π erreicht.

Bei der Kurve H₁ liegt das Maximum des Abtriebsdrehmomentes etwa ebenfalls im mittleren Bereich der Schwenkbewegung des Polhebels 4, ist jedoch stärker ausgeprägt; bei der Kurve H₂ ist das ausgeprägte Maximum des Drehmomentes sehr nahe an den einen Umkehrpunkt der Schwenkbewegung des Polhebels 4 ge rückt. Diese Verschiebung resultiert allein aus einer Verän derung, hier einer Verkleinerung der x-Koordinate des Dreh punktes der Polwelle 3.

Claims

1. Getriebe zur Übertragung eines Drehmomentes von einer ersten Achse auf eine parallel dazu angeordnete zweite Achse unter Verwendung eines Hebelmechanismus, der einen ersten einarmigen, auf der Antriebswelle der ersten Achse fixierten Hebel, einen zweiten einarmigen, auf der angetriebenen Welle der zweiten Achse fixierten Hebel und eine die beiden Hebel verbindende Koppelstange aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstange (5) und der erste einarmige Hebel (2) über einen zweiarmigen Hebel (6) miteinander verbunden sind, der ein von der Stellung des ersten einarmigen Hebels (2) abhängiges Hebelverhältnis (l₁/l₂) aufweist.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiarmige Hebel (6) im Bereich seines Drehpunktes (7) mit einer linearen Führung in Form eines Langloches (8) versehen ist.

3. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (x, y) der Drehpunkt (7) des zweiarmigen Hebels im Ursprung liegt, der Drehpunkt (1) des ersten einarmigen Hebels (2) im zweiten oder dritten Quadranten liegt und die Bewegungskurve des zweiten einarmigen Hebels (4) im ersten oder vierten Quadranten liegt.

4. Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsdrehmoment (M_da) und das Abtriebsdrehmoment (M_dp) in Abhängigkeit von der geometrischen Zuordnung der Hebel (2, 4, 6) zueinander in folgender Beziehung stehen:

Darin bedeuten
x₁, y₁ Koordinaten der Antriebswelle
x₂, y₂ Koordinaten der Abtriebswelle/Polwelle
P₁ Gelenkpunkt 1 (Antriebshebel/zweiarmiger Hebel)
P₂ Gelenkpunkt 2 (zweiarmiger Hebel/Koppelstange)
P₃ Gelenkpunkt 3 (Koppelstange/Polhebel)
α Drehwinkel des Antriebshebels
β Drehwinkel des zweiarmigen Hebels
ϕ₁ Winkel zwischen zweiarmigem Hebel und Abstand v
ϕ₂ Winkel zwischen Abstand v und Koppelstange
σ Winkel zwischen Polhebel und Koppelstange
a Länge des Antriebshebels
b Länge des Polhebels
l Länge des zweiarmigen Hebels
l₁ Längenanteil des zweiarmigen Hebels zum Gelenkpunkt 1
l₂ Längenanteil des zweiarmigen Hebels zum Gelenkpunkt 2
k Länge der Koppelstange/Abstand zwischen Gelenkpunkt 2 und Gelenkpunkt 3
v Abstand zwischen Drehpunkt Polhebel und Gelenkpunkt 2 (variabel)
t Abstand zwischen Drehpunkt Polhebel und Führungsstift (konstant).

5. Verwendung eines Getriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Antrieb des beweglichen Schaltstückes in einem Hochspannungsschalter, insbesondere in einem Trenn- oder Erdungsschalter.