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Die
Erfindung betrifft 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 – Bock- oder
Lenkrolle – 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 Art 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 058 919.8 /Gebrauchsmuster
DE 20 2009 017 461.1 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 /englische
Patentanmeldung
GB 2 457 787 /finnisches
Schutzrecht
FI 200 800
U und
FI 200 85 992 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 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 und daß zwischen der Bremseinrichtung und
der Betätigungsstange mindestens eine Ausgleichsfeder angeordnet
ist und daß die gegenüberliegenden Verzahnungen
mit im wesentlichen rechtwinklig zum Zahngrund verlaufenden, in
der Bremsstellung aneinanderliegenden 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. 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 mechanisierte 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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Eine
Aufgabe der jetzt vorliegenden Erfindung besteht 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 daher 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; auf vorteilhafte Ausgestaltungen
nehmen die Unteransprüche Bezug. Die Ausgestaltung der
Erfindung offenbart, daß die Einrichtung ein elektrifiziertes Verriegelungsschaltwerk
für eine Geräterolle mit einem Geräterad
betrifft, bestehend aus einem getasteten bistabilen mechanischen
Schaltwerk, einem sensorgeführten Tauchanker-aktor 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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Eine
weitere Ausführungsform der erfinderischen Neuheit ist
dadurch gegeben, daß statt der Rad-Verzahnung und der Sperrklinke
mit Zahn eine Bremseinrichtung derart ausgebildet ist, daß die 'Sperrklinke'
des bistabilen Schaltwerks mit einer Reibbacke ausgeprägt
ist, die im Bremszustand auf einen Bremszylinder des Rades wirkt.
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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 Aktor 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 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 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 denk bar. 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 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 der Wippe 40 gegen
ein V-förmiges drehbar 52 gelagertes Schaltglied 51 des
Schalters 50, welches bei Bewegung einen in einer Führung 55 federnd 53 gelagerten
Nocken 54 auf einer Gleitfläche 66 der
drehbar 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 und Schaltglied
der Schalthebel 1 44 die Eingriffsstelle 1 56 und
der Schalthebel 2 45 die Eingriffsstelle 2 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 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 über eine
Aufnahme 47 und ein Loslager 28 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 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 ist so ausgeprägt, daß er sich
langfristig nicht aufmagnetisiert und mit dem magnetisch leitenden
Gehäuse einen dauerhaften magnetischen Kreis schließt.
Der magnetische Kreis von Gehäuse, Spule und Anker wird über
einen leitfähigen Kurzschlußring 26 verstärkt.
Die Wicklungsenden der Spule 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 Aktor 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 Rolle 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 Rolle kann mittels
der Solarzelle und/oder des Tacho-/Bremsgenerators in Verbindung
mit dem Stromspeicher sichergestellt werden; Spannungszustände der
Batterie und Ladekurven der Generatoren können über
den Mikrokontroller eingestellt und überwacht werden. Der
Mikrokontroller 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 kann ebenfalls als Bremseinrichtung Anwendung
finden.
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Eine
weitere Ausführungsform der erfinderischen Neuheit ist
dadurch gegeben, daß statt der Rad-Verzahnung 12 und
der Sperrklinke 61 mit Zahn 63 der Schwinge 60 eine
Bremseinrichtung derart ausgebildet ist, daß die 'Sperrklinke' 61 des
bistabilen Schaltwerks 30 mit einer Reibbacke ausgeprägt
ist, die im Bremszustand auf einen Bremszylinder des Rades 10 wirkt.
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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 ein entsprechende Verzahnung als Teilschneckenrad am
Ende der Sperrklinke eingreift und diese zum Ent- und Verriegeln
verfährt; Wippbalken 41, Stößel 43, Schaltglied 51,
Nocken 54 und Federn 48, 53 entfallen
bei dieser Anordnung. Auch hier bestimmt die Stromkurve über
dem zeitlichen Ablauf der motorischen Verstellung die verbrauchte
Energiemenge.
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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 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 Rades oder über
die abgegriffene Tachogenerator-Spannung vor dem Schalten des bistabilen
Schaltwerks 30 den Stillstandzustand des Rades 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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Eine
weitere Ausprägung der Erfindung sieht vor, daß an
Stelle des bistabilen Schaltwerks 30 – wie das
energieeffiziente Sprungschaltwerk – auch eine entsprechende
bistabile Mechanik in Form der 'Kugelschreiber-Mechanik' zum Einsatz
kommt; auf Einhaltung der Energiebilanz ist zu achten.
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Die
vorgestellte erfinderische Neuheit wird ebenfalls auf eine Geräterolle 1 mit
Verriegelungseinrichtung 2 und Rad 10 mit innenliegendem
Zahnkranz 12 mit nach außen weisenden Zähnen 13, Bremseinrichtung
der Kategorie C, übertragen.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche;
die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der
Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche
wider.
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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
- Schneidenlager
- 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
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102009058919 [0005]
- - DE 202009017461 U [0005]
- - DE 102009009028 A [0006]
- - GB 2457787 [0006]
- - FI 200800 U [0006]
- - FI 20085992 [0006]
- - DE 10047006 [0010]