DE19817796A1 - Schleifkontaktanordnung mit verlängerter Lebensdauer - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die miteinander im Schleifkontakt befindlichen Teile, zusätzlich zur Bewegung entlang der Trajektorie der Hauptbewegung, mindestens eine weitere Bewegung derart ausführen, daß anstelle einer punktförmigen Auflage der beiden Kontakte nun eine linienförmige oder flächenförmige Auflage besteht.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, mittels zweier zumindest teilweise metallischer Kontaktpartner.

Derartige Vorrichtungen werden zur Übertragung von elektrischen Signalen bzw. elektrischer Energie zwischen zwei oder mehreren aktiv zueinander beweglichen Teilen eingesetzt. Die Bewegung kann dabei eine rotatorische, eine translatorische oder eine zusammengesetzte Bewegung sein.

Der Übersichtlichkeit halber wird in der vorliegenden Beschreibung nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Orts­ bezugs ist und keinen Einfluß auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vor­ richtung hat. Ebenso wird nicht weiter zwischen der Übertragung von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen gleich sind.

Stand der Technik

Bei translatorisch und insbesondere linear beweglichen Einheiten, wie Kran- und Förderanlagen sowie bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computer- Tomographen ist es notwendig, zwischen einander beweglichen Einheiten bzw. einer feststehenden und wenigstens einer dazu beweglich angeordneten Einheit elektrische Signale bzw. Energie zu übertragen.

In der Regel erfolgt die Energieübertragung mittels mechanisch schleifender Kontakt­ partner. Um eine hohe Lebensdauer und niedrige Übergangswiderstände zu erzielen, enthält zumindest einer, vorzugsweise aber beide dieser Kontaktpartner einen metalli­ schen Anteil sowie verschiedene Additive, welche eine Schmierung und Erhöhung der Lebensdauer bewirken.

In den meisten Anwendungsfällen besitzen beide Kontaktpartner unterschiedliche Geometrien. So hat meist ein Kontaktpartner, der sich entlang der Trajektorie der Bewegung erstreckt, eine wesentlich größere Oberfläche als der zweite Kontakt­ partner, der sich relativ zu diesem bewegt.

Der Einfachheit halber wird nur noch auf "Schleifbahn" für den größeren der beiden Kontaktpartner entlang der Trajektorie der Bewegung sowie "Bürste" für den sich relativ dazu bewegenden Kontaktpartner Bezug genommen.

Durch die aufgrund der Bewegung beider Kontaktpartner zueinander vorhandene Reibung entsteht ein Abrieb, welcher die Lebensdauer der Kontaktanordnung be­ grenzt. Das Ende der Lebensdauer ist z. B. dann erreicht, wenn das Kontaktmaterial einer der beiden Kontaktpartner verschlissen ist. In einem solchen Fall kann der mechanische Kontakt beider Kontaktpartner auf einem anderen Material, welches primär mechanische oder Trägerfunktionen erfüllt, aber keine guten Kontakteigen­ schaften besitzt, basieren. Damit verschlechtern sich die Kontakteigenschaften, wie Übergangswiderstand, Rauschen und Stromtragfähigkeit drastisch. Häufig zieht dies auch einen wesentlich schnelleren Verschleiß der noch verbleibenden Teile der Kontaktanordnung nach sich.

Das Ziel der Entwicklung derartiger Kontaktanordnungen ist ein möglichst großes Reservoir an Kontaktmaterial im Bereich der möglichen Berührungspunkte zwischen Schleifbahn und Bürste zur Verfügung zu stellen. Bei gängigen Metall-Graphit-Bürsten, die aus einer Kombination eines leitfähigen Metalls wie Silber sowie des Schmier­ mittels Graphit bestehen, kann dies durch eine möglichst große Dimensionierung der Bürste erreicht werden. Bei den ebenfalls sehr häufig eingesetzten Federdrahtbürsten, bei denen ein federnder Draht den Kontakt zur Schleifbahn herstellt, kann dies durch einen möglichst großen Drahtdurchmesser erreicht werden.

Der Nachteil derart vergrößerter Kontaktanordnungen ist eine wesentliche Verschlech­ terung der dynamischen Eigenschaften, da die Masse der Bürste zunimmt. So ist die Bürste insbesondere bei schnellen Bewegungen nicht mehr in der Lage, kleinen Änderungen in der Oberfläche der Schleifbahn zu folgen und den Kontakt aufrecht­ zuerhalten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Übertragung elek­ trischer Signale und/oder Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander be­ weglichen Teilen anzugeben, die eine hohe Lebensdauer aufweist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der in Anspruch 1 angegebenen erfindungsgemäßen Lösung führen die beiden Kontaktpartner der schleifenden Kontaktanordnung gegeneinander eine zusätzliche Bewegung in einer zweiten Achse oder entlang einer zweiten Trajektorie aus, welche nicht mit der Trajektorie der Hauptbewegung identisch ist. Bei herkömmlichen Kontakt­ anordnungen, wie z. B. Metall-Graphit-Bürsten oder auch Federdraht-Bürsten, erfolgt die Kontaktierung näherungsweise eindimensional. Im Falle der Metall-Graphit-Bürste folgt diese Bürste mit einer nahezu punktförmigen Auflage einer durch die Bewegung der beiden Kontaktpartner vorgegebenen Trajektorie. Im Falle der Federdraht-Bürste erfolgt der Kontakt an einem, zweien oder im Falle von Mehrfach-Federdraht-Bürsten mehreren, eng beieinander liegenden Kontaktpunkten, welche sich entlang der Trajek­ torie bewegen. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu dieser ersten Bewegung eine zweite Bewegung ausgeführt. Dadurch ergibt sich im Laufe der Zeit bei kontinuierlicher Bewegung beider Kontaktpartner eine Verschiebung des Kontaktpunktes, sowohl an der Bürste als auch an der Schleifbahn. Damit steht eine wesentlich höhere Ober­ fläche des abzureibenden Kontaktmaterials an Bürste und Schleifbahn zur Verfügung, ohne die Masse der Kontakte zu erhöhen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine weitere Bewegung zusätzlich zur Hauptbewegung der beiden Kontaktpartner. Diese weitere Bewegung ist so gestaltet, daß sich die Kontaktpunkte beider Partner und somit auch der Abrieb linienförmig verteilen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt eine weitere Bewegung zusätzlich zur Hauptbewegung der beiden Kontaktpartner. Diese weitere Bewegung ist so gestaltet, daß sich die Kontaktpunkte beider Partner und somit auch der Abrieb auf einer Fläche verteilen.

Bei Drehbewegungen läßt sich auf besonders einfache Weise eine zusätzliche Linear­ bewegung zwischen beiden Kontaktpartnern erzeugen. Dies erfolgt durch eine exzen­ trische Lagerung der runden Schleifbahn. Durch diese Exzentrizität wird neben der rotatorischen eine zusätzliche translatorische Komponente in Bezug auf die Bürste erzeugt.

In einer anderen Ausführungsform kann eine solche translatorische Komponente durch eine lineare Bewegung der Bürste bzw. des Bürstenhalters mitsamt der Bürsten in eine vorgegebene Richtung erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zusätzliche trans­ latorische Komponente durch eine drehende Kreisbahn, welche eine vom Kreis abweichende Außenkontur mit tangential dazu anliegender Bürste erreicht.

Besonders einfach läßt sich eine zusätzliche translatorische Bewegung entlang der Bürste erzielen, wenn die Schleifbahn elliptisch ausgeführt ist.

Wird nun ein Bürstenhalter mit mindestens zwei tangential an die Schleifbahn anlie­ genden Bürsten eingesetzt, welcher um eine Achse parallel zur Drehachse der Schleif­ bahn drehbar angeordnet ist, so kann sich dieser immer derart bewegen, daß der Winkel zwischen den beiden tangential anliegenden Bürsten nahezu konstant und damit auch die Anpreßkraft der Bürsten an die Schleifbahn konstant ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine tangentiale Komponente der Bewegung durch einen linearen Vorschub der Bürste in beliebiger, aber vorzugsweise tangentialer Richtung zur Schleifbahn erreicht.

Besonders einfach läßt sich eine translatorische Bewegung erreichen, indem eine als Draht ausgeführte Bürste über Rollen entlang der Schleifbahn geführt wird.

In Falle einer kreisförmigen Kontaktanordnung erfolgt die Führung hier tangential zur Kontaktbahn.

In einer besonders einfachen Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Rollen und damit der Vorschub des Bürstenmaterials mittels eines Untersetzungsgetriebes, das durch die Hauptbewegung der Kontakteinrichtung angetrieben wird.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Rollen über einen separaten Motor. Eine weitere Ausführungsform bietet eine höhere Anzahl von Kontaktpunkten, indem mehrere Umlenkrollen so entlang der Geometrie der Kontaktanordnung geführt werden, daß die Bürste mehrmals Kontakt mit dieser macht. Im Falle einer runden Kontaktanordnung können dies z. B. drei Rollen sein, die so angeordnet sind, daß ein tangentialer Kontakt zwischen Bürste und Schleifbahn an zumindest einem, besser zwei oder drei Punkten, erfolgt. Durch die Reibung der Hauptbewegungsrichtung wird nun auch der zur Kontaktierung verwendete Draht fortbewegt. Die Geschwindigkeit dieses Drahtes kann durch entsprechende Dämpfung oder zusätzliche Reibung in den Rollen gesteuert werden. Soll die Geschwindigkeit unabhängig eingestellt werden, so ist ein separater Antrieb, z. B. über einen Motor, sinnvoll.

In einer weiteren Ausführungsform kann eine zusätzliche Bewegung dadurch erzeugt werden, daß die Schleifbahn eine Nut enthält, welche vorzugsweise zur Führung der Bürste vorgesehen ist. Diese Nut besitzt eine Geometrie, die sich entlang des Weges der Schleifbahn verändert, so daß die Auflagepunkte der Bürste verschiedene Positio­ nen einnehmen. Besonders einfach kann dies erreicht werden, indem die Schleifbahn eine v-förmige Nut erhält, deren Breite bzw. Tiefe sich kontinuierlich ändert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In der zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit exzentrisch gelagerter kreisförmiger Schleifbahn,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit radial beweglichem Bürstenblock,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit elliptisch geformter Schleifbahn,

Fig. 5 eine Abwandlung der Anordnung mit elliptisch geformter Schleifbahn und zusätzlich drehbar gelagertem Bürstenblock,

Fig. 6 dient zur Erläuterung der Anordnung aus Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Ausführung mit einem zwischen zwei Rollen gelagerten Draht als Bürste,

Fig. 8 eine Abwandlung der Ausführung aus Fig. 7 mit zwischen Rollen gelagertem Draht als Bürste,

Fig. 9 eine weitere Ausführung der Erfindung mit v-förmiger Nut, welche unter­ schiedliche Steigungen und Tiefen entlang der Trajektorie der Bewegung aufweist.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

In den folgenden Figuren sind gleiche bzw. gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß zum Teil auf eine erneute Vorstellung verzichtet werden kann.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Schleifbahn 1 wird radial durch eine drahtförmige Bürste 2 kontaktiert. Diese Bürste ist befestigt in einem Bürstenhalter 4a. Dieser Halter kann nun zusammen mit der an ihm befestigten Bürste in beliebiger Weise bewegt werden, so daß sich der Kontakt­ punkt entlang der drahtförmigen Bürste verschiebt. Beispielhaft ist hier eine Bewegung in Position 4b mit der neuen Position der Bürste 3, d. h. in der Längsachse der Bürste dargestellt. Selbstverständlich sind auch Bewegungen in Achsen quer zur Drahtachse oder auch rotatorische Bewegungen möglich.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einer runden Kontaktbahn, welche exzentrisch um den Mittelpunkt 7 gelagert ist. Zwei extreme Positionen der Kontaktbahn sind als 1a und 1b dargestellt. Der Bürstenhalter 4 ist hier fest in Bezug auf die Drehachse 7 montiert. In der am weitesten vom Bürstenblock entfernten Position des Kreismittel­ punktes, wie in 1b dargestellt, ergibt sich die Position der beiden Bürsten 3a und 3b, welche hier beispielhaft tangential angebracht sind. In der anderen extremen Position der Schleifbahn 1a ergibt sich die zugehörige Position der Bürsten 2a und 2b. Während der Drehung der Schleifbahn von Position 1b in die Position 1a wandert der Kontaktpunkt entlang der Bürsten zum Bürstenblock hin. Damit wird während der Drehung der Schleifbahn kontinuierlich der Kontaktpunkt entlang der Bürste verlagert.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit konzentrisch gelagerter Schleifbahn 1, die sich um den Mittelpunkt 7 dreht. Hier ist nun der Bürstenblock beweglich gelagert, so daß er radial zur Drehachse bewegt werden kann. Beispielhaft sind zwei mögliche Positionen des Bürstenblocks dargestellt. Die Position 4a nahe an der Drehachse, mit den daraus resultierenden Positionen der beiden Drahtbürsten 2a und 2b sowie eine weiter von der Drehachse entfernte Position des Bürstenblocks 4b mit den resultie­ renden Drahtpositionen 3a und 3b. Wird der Bürstenblock nun kontinuierlich zwi­ schen diesen beiden Positionen hin- und herbewegt, so wandert ebenfalls der Kontakt­ punkt an den drahtförmigen Bürsten entlang der Bürstenachse. Diese Darstellung zeigt beispielhaft zwei Bürsten, selbstverständlich kann auch jede andere Anzahl von Bürsten eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einer drehenden elliptischen Schleifbahn und zwei Bürsten. Die Schleifbahn ist beispielhaft in zwei Positionen dargestellt. In einer Posi­ tion 1a ergibt sich die Bürstenposition 3a und 3b. In der anderen Position 1b der Schleifbahn ergibt sich die zugehörige Bürstenstellung 2a und 2b. Auch hier wan­ dert der Kontaktpunkt entlang der Achse der Bürsten.

Fig. 5 zeigt eine erweiterte Ausführung der Fig. 4. Hierin ist der Bürstenblock 4 drehbar gelagert. Damit stellt sich bei einer Position 1a der Schleifbahn, die Position 4a des Bürstenblocks sowie bei der Position 1b der Schleifbahn die Position 4b des Bürstenblocks ein. Zusätzlich sind noch die Kontaktpunkte zwischen Schleifbahn und Bürstenblock eingezeichnet. In der Stellung 1a der Schleifbahn ergibt sich der Kontaktpunkt 6a an der Bürste 3a sowie der Kontaktpunkt 6b an der Bürste 3b. In der zweiten eingezeichneten Position der Schleifbahn 1b ergibt sich der Kontaktpunkt 5a an der Bürste 2a sowie der Kontaktpunkt 5b an der Bürste 2b. Aus dem Abstand der Pfeile an den Positionen 6a bzw. 5a sowie 6b bzw. ist der Weg des Kontaktpunktes entlang der Bürstenachse erkennbar.

Fig. 6 dient zur Erläuterung der besonderen Vorzüge aus Fig. 5. Hier sind zusätzlich noch die Winkel zwischen den Bürsten eingezeichnet. So ergibt sich zur Stellung 1a der Schleifbahn, mit zugehörigen Bürstenpositionen 3a und 3b ein Winkel 6a und 6b zwischen den beiden Bürsten. Dieser ist näherungsweise gleich groß wie der Winkel 5a und 5b, der sich in der Position 1b zwischen den Bürsten 2a und 2b einstellt. Damit ist bei dieser Anordnung während der gesamten Bewegung der Winkel zwischen den Bürsten, damit deren Auslenkung und als Folge davon die Anpreßkraft der Bürste auf die Schleifbahn konstant.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit einer Schleifbahn 1 sowie einer drahtförmigen Bürste 2, welche über eine erste Rolle 8 sowie eine zweite Rolle 9 tangential zur Schleifbahn geführt werden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Anordnung mit einer Schleifbahn 1 sowie einer drahtförmigen Bürste 2, welche über mehrere Rollen 8, 9 und 10 an die Schleifbahn geführt werden.

Fig. 9 zeigt im Querschnitt eine Anordnung einer drahtförmigen Bürste 2, welche in einer v-förmigen Nut in der Schleifbahn 1 läuft. Hier sind beispielhaft die Querschnitte an zwei unterschiedlichen Positionen entlang der Trajektorie der Schleifbahn dargestellt. So kann beispielsweise an einer Position die Schleifbahn einen Querschnitt 1a besitzen, währen sie an einer anderen Stelle den Querschnitt 1b besitzt. Dabei verschieben sich die Auflagepunkte entlang des Umfangs der drahtförmigen Bürste 2.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, welche sich im schleifenden Kontakt befinden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Bewegung der Kontaktpartner entlang einer ersten vorgegebenen Trajektorie, mindestens eine zweite Bewegung entlang einer weiteren Trajektorie oder auf einer weiteren Achse erfolgt, welche mit der ersten vorgegebenen Trajektorie nicht identisch ist, so daß sich eine Bewegung des Berührungspunktes der Kontaktpartner auf der Oberfläche mehrerer Kontaktpartner ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Kontaktpartner neben der Hauptbewegungsrichtung eine zusätzliche Bewegung derart ausführen, daß die Bewegung des Berührungspunktes an beiden Kontaktpartnern zumindest eindimensional (linienförmig) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Kontaktpartner eine zusätzliche Bewegung derart ausführen, daß sich über längere Zeit gemittelt, die Bewegung zumindest eines Kontaktpartners auf einer Fläche eines weiteren Kontaktpartners orientiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer kreisförmigen Hauptbewegungsrichtung eines Kontaktpartners das Rotationszentrum exzentrisch zum Mittelpunkt der kreisförmigen Schleifbahn liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung in einer zweiten Achse durch die Bewegung der Bürste bzw. des Bürstenhalters mitsamt der daran befestigten Bürsten realisiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche translatorische Bewegung bei drehender Hauptbewegungsrichtung durch eine von der Kreisform abweichende Schleifbahn mit tangential dazu anliegender Bürste erreicht wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche translatorische Komponente der Bewegung durch eine elliptische Schleifbahn erzielt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bürstenhalter zur Aufnahme von mindestens zwei tangential an die Schleifbahn anliegenden Bürsten vorgesehen ist und dieser Bürstenblock um eine Achse, welche parallel zur Drehachse der Schleifbahn verläuft, drehbar gelagert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine translatorische Bewegung durch einen linearen Vorschub der Bürste in Bezug auf die Schleifbahn erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine drahtförmige Bürste über Rollen relativ zur Schleifbahn bewegt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Rollen über ein Untersetzungsgetriebe von der Hauptdrehbewegung abgeleitet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Rollen über einen separaten Motor erfolgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Umlenkrollen zur Umlenkung der drahtförmigen Bürste derart vorgesehen sind, daß diese Bürste an mehreren Punkten entlang der Schleifbahn in Kontakt steht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifbahn Vertiefungen aufweist, welche sich entlang der Trajektorie der Bewegung in ihrer Geometrie verändern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifbahn eine v-förmige Nut enthält, deren Breite bzw. Tiefe sich entlang der Trajektorie der Bewegung kontinuierlich verändert.