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Schaltgerät
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Bei elektrischen Hochspannungsschaltgeräten ist es z.B.
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nach der deutschen Patentanmeldung S 151 894/21c bekannt, dass die
Antriebsbewegung nur durch sich drehende Teile erfolgt und lediglich das bewegliche
Schaltstück mit seinem Träger eine hin- und hergehende Bewegung auszuführen braucht.
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Hierbei besteht das letzte Glied der sich drehenden Teile bzw. der
Drehwelle aus einer oder mehreren im Schalter untergebrachten ein- bzw. mehrgängige
Steilgewinde aufweisenden Gewindespindeln, auf denen der zugPich als Führung für
das bewegliche Schaltstück dienende kreuzkopfartige Träger hin- und herbewegt wird.
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Die Umwandlung der Drehbewegung des .Schaltgeräteantriebes in eine
hin- und hergehende Bewegung wird bei anderen bekannten Ausführungen auch dadurch
verwirklicht, dass mit Gleit- oder Rollenführungen versehene Gestänge mit Kurel-,
trieben zusammenwirken.
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Im alleemeinen-muss dadurch bei den bekannten Ausführungen eine beträchtliche
Vergrösserung deren Bauhöhe in Kauf genommen werden. In vielen Fällen ist ausserdem
zur Erzielung eines immer gleich grossen Hubes für den Wechsel von der Hin- auf
die Herbewegung des Schalt stückes eine Aenderung des Drehsinnes des Antriebes notwendig.
Die hierbei erforderlichen Ceradführungen verbrauchen überdies einen grossen Teil
der Antriebsenergie.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei Schaltgeräten die
Drehbewegung des Schalterantriebes mit einem t nimum an Aufwand bzw. an bewegten
'£eilen in eine hin- und hergehende Bewegung des beweglichen Kontaktstückes umzuwandeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das hin-
und her bewegliche Kontaktstück über ein umlaufendes Getriebe mit einem umlaufenden
Antrieb mechanisch gekoppelt ist. Das axial bewegliche Kontaktstück ist hierbei
in vorteilhafter Weise über ein Planetengetriebe mit dem umlaufenden Antrieb mechanisch
verbunden. Es empfiehlt sich, das Kontaktstück mittels eines in einem innenverzahnten
Zahnrad bzw. Sonnenradabrollenden aussenverzahnten Zahnrades bzw, Planetenrades
mit der das Planetenrad bei seinem Abrollen führenden und antreibenden umlaufenden
Kurbelwelle mechanisch zu koppeln, wobei das Planetenrad den halben
Durchmesser
bzw. die halbe Zähnezahl des Sonnenrades aufweist. Das axial bewegliche Kontaktstück
ist hierbei zweckmässig mittels einer Isolierstange an einer Stelle des Teilkreises
des im Sonnenrad abrollenden Planetenrades drehbeweglich befestigt, das Planetenrad
bei seinem Abrollen durch eine koaxial bezüglich des Sonnenrades umlaufende Kurbelwelle
geführt und antreibbar, wobei der Durchmesser des die Teilkreises bzwyiähnezahl
des Planetenrades halb so gross als der Durchmesser des Teilkreises bzw. die Zähnezahl
des Sonnenrades ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass das Getriebe des Schaltgerätes keine querbeanspruchten Gleitführungen benötigt
und deshalb infolge Wegfallens von Reibungsverlusten ein hoher Wirkungsgrad des
Antriebes gewährleistet ist. Der umlaufende Antrieb kann je Schalthub einen Drehwinkel
bis 1800 ausführen, wobei die umlaufende Kurbelwelle des Antriebes sowohl beim Ein-
als auch beim Aus-Schalthub im gleichen Drehsinn weiter umlaufen kann. Da der Schalthub
im wesentlichen von der Grösse des Sonnenrades abhängt, zeichnen sich die Schaltgeräte
nach der Erfindung durch eine minimale Bauhöhe aus.
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Als weiterer Vorteil ist noch zu erwähnen, dass eine relativ ungenaue
Stellung des Antriebes insbesondere in der Ein- oder Ausstellung des Schaltgerätes
einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Lage des beweglichen Kontaktstückes hat.
, ~, ,
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und nachstehend näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Abbildung
zur Erklärung der Kinematik des Getriebes der Erfindung, Fig. 2 eine schematische
Schrägansicht des die Drehbewegung des Antriebe des Schaltgerätes in eine oszillierende
Bewegung umsetzenden Getriebes, Fig. 2a ein Detail des Getriebes, Fig. 3a bis 3d
in schematischer Darstellung verschiedene Stellungen des Getriebes im Zusammenwirken
mit dem eigentlichen Schalter, Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines àus
dem Schalter mit Getriebe und Antrieb bestehenden Schaltgerätes, Fig. 5a eine Vorderansicht
und Sb Querschnitt einer anderen Getriebeausführung, Fig. 6 eine Abbildung zur Erläuterung
der Kinematik der Getriebeausführung nach Fig. 5a und 5b und Fig. 7a bis 7d verschiedene
Stellungen der letztgenannten Getriebeausführung im Zusammenwirken mit dem eigentlichen
Schalter.
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In Figur 1 besteht die Rastpolbahn aus einem Kreis 11, ,
dessen
Durchmesser doppelt so gross ist als der Durchmesser der ebenfalls aus einem Kreis
bestehenden Gangpolbahn 12, die in der Rastpolbahn 11 ohne zu gleiten umläuft. Der
Kreis 12 läuft in Fig. 1 im Sinne des Uhrzeigers um und ist beginnend von seiner
Ausgangslage mit dem Vittelpunkt 0 nach 0 einer Vierteldrehung mit dem flittelpunkt
01> nach einer halben Umdrehung mit dem Mittelpunkt O2, nach einer Dreiviertelumdrehung
mit dem Mittelpunkt O3 und nach einer vollen Umdrehung mit dem Mittelpunkt 04 dargestellt.
Nach einer Vierteldrehung gelangt demnach der Kreisbogen P P0M0 von seiner strichliert
dargestellten Ausgangslage in die verstärkt voll ausgezogene Momentanlage P1M1,
wobei die Sehne P0M0 in die Momentanlage P1M1 gelangt. hierbei kommt der Berührungspunkt
PO der Ausgangslage der beiden Kreise 11 und 12 in die Lage P1 und der Bogenenedpunkt
M0 in die Lage N1, die den momentanen Berührungspun1:t der preise 11 und 12 bzw.
den Momentanpol M1 dieser Kreise bildet. Es rollt demnach der Viertelbogen P0M0
des Kreises 12 auf dem Achtelbogen P0M1 des Kreises 11 ohne zu gleiten ab, dadurch
der Punkt M0 in die Lage N1 gelangt, weil die beiden letztgenannten Böge zufolge
des Durchmesserverhältnisses 1 : 2 gleich lang sind. Aus der Lage des Quadrates
P M UH zum Durchmesser P0P P4 des Kreises 11 ist zu erenen, dass der Winkel P4P0M0
= α = 45° beträgt, die Sehne P0M0 mit dem Durchmesser P0P4 demnach einen Winkel
von 45 einschliesst.
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Da das ebene System des Kreises 12 mit dem Mittelpunkt O1
gegenüber
der Ausgangslage des Kreises 12 mit aem Mittelpunkt 0 durch CL = 45 gedreht erscheint,
schliesst die o Sehne P1M1 mit ihrer Ausgangslage P0M0 ebenfalls einen Winkel 145
ein und ist deshalb normal zum Durchmesser PoP4 der Rastpolbahn bzw. des Kreises
11. Nach den allgemeinen Regeln der Kinematik ist die durch die Punkte M1 als Momentappol
und P1 bestimmte Gerade nl die Bahnnormale der Bewegungsbahn des Punktes P1 und
ist die Tangente tl der Bahnirurve im Punkt P1 normal zu nl. Da die Sehne P1M1 bezüglich
der Symmetrale S zur Sehne M0P0 spiegelbildlich liegt, ist P1 ein Punkt des Durchmessers
P0P4. Man erkennt daraus, dass sich der Punkt P1 nicht nur auf dem Durchmesser P0P4
bewegt, sondern ausserdem noch eine mit diesem Durchmesser übereinstimmende Tangente
tl seiner Bewegungsbahn aufweist.
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Nach einer halben Umdrehung gelangt der Kreis 12 in die Momentanlage
mit dem Mittelpunkt O2, wobei M2 der zugehören-bzw. Momentanpol de Berührungspunkt
der Kreise 11 und 12 ist. Der Punkt P U gelangt hierbei in die Lage P2 und liegt
auf dem Durchmesser PoP4 der Rastpolbahn bzw. des Kreises 11, wobei M2U normal zu
diesem Durchmesser ist. Der Momentanpol M2 und P2 bzw. M bestimmen die Bahnnormale
n2 der Bewegungsbahn des Punktes P2, wobei die Tangente t2 der Bahnkurve im Punkt
P2 normal zu n2 und mit dem Durchmesser P0P4 identisch ist.
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Nach einer Dreiviertelumdrehung gelangt der Kreis 11 in die Momentanlage
mit dem Mittelpunkt O3 und dem Momentanpol 113 Der Punkt P kommt in die Lage P Durch
143 und P3 0 ist die Bahnnormale n3 und dadurch die Tangente t3 der Bahnkurve des
Punktes P3 bestimmt. Demnach bewegt sich auch der Punkt P3 auf der durch den Durchmesser
P0P4 verwirklichten Bahnkurve.
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Nach einer vollen Umdrehung des Kreises 11 ausgehend von seiner Ausgangslage
mit dem mittelpunkt 0 bis zur Lage 0 mit dem Mittelpunkt O4 gelangt der Punkt P0
in die Lage P4 bzw. M4 wobei P0 u.a. überdie Zwischenpositionen P1, P2 und P3 den
Durchmesser P0P4 der Rastpolbahn bzw. des Kreises 11 durchläuft.
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Selbstverstandlich lassen sich die vorstehenden Ueberlegungen für
beliebige Drehwinkel der Gangpolbahn bzw. des Kreises 12 sowie für beliebige Punkte
P. des Kreises anstellen, wobei der Kreis beliebige Ausgangs lagen haben kann.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass beim Abrollen eines Kreises
12 bzw. der Gangpolbahn auf der Innenseite eines doppelt so grossen festen Kreises
11 bzw. der Rastpolbahn jeder Punkt P. auf dem Umfang des rollenden Kreises 12 einen
Durchmesser des festen bzw. feststehenden Kreises 11 durchläuft,
Der
Vollständigkeit halber ist hier noch darauf hingewiesen, dass jeder nicht auf dem
Umfang des rollenden Kreises 12 befindlichten Punkt P. der gegenüber der Ebene des
Kreises 11 bewegten Ebene des Kreises 12 eine Ellipse. in der Ebene des Kreises
11 beschreibt.
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Figur zeigt nun die Rastpolbahn bzw. den feststehenden Kreis 11 in
Form eines innenverzahnten, feststehenden Zahnrades bzw. Sonnenrades 21, in dem
ein der Gangpclbahn bzw.
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dem abrollenden Kreis 12 entsprechendes aussenverzahntes Zahnrad bzw.
Planetenrad 22 abrollt. Hierbei wird die Drehbewegung des symbolisch durch die Scheibe
23 angedeuteten Antriebes mittels der in den Lagern 24 geführten Welle 25 über den
fest mit der Welle 25 verbundenen Arm 26 mittels der mit dem .rm 26 ebenfalls fest
verbundenen ililfswelle 27 auf das Zahnrad 22 betragen, wobei das Zahnrad 22 in
das feststehende Zahnrad 21 eingreift und hierbei um die Hilfswelle 27 umläuft.
Der Durchmesser des Teilkreises des Zahnrades 21 ist wieder doppelt so gross als
der Durchmesser des Teilkreises des Zahnrades 22. Mit dem Zahnrad 22 ist ein Filfsarm
28 fest verbunden, der die gleiche Umlaufbewegung wie das Zahnrad 22 ausführt. Der
hilfsarm 28 dient lediglich der Anbringung einer weiteren Hilfswelle 29, die mit
dem Hilfsarm 28 und zugleich mit dem Zahnrad 22 fest verbunden ist.
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Der auf dem Teilkreis T22 des Zahnrades 22 gelegene Fusspunkt P0 der
Achse 30 der weiteren Hilfswelle 29 entspricht dem Punkt PO des Kreises 12 in Fig.
1. enn nun das Zahnrad 22 wie der Kreis 12 in Fig. 1 im Zahnrad 21 einmal abrollt,
gelangt der Fusspunkt P aus seiner eingezeichneten höchsten 0 Lage in seine tiefste
Lage P4, wie auch aus Fig. 1 ersichtlich ist, wobei er den Dur hmesser PoPq des
Teilkreises des Zahnrades 21 durchlauft. Dementsprechend bewegt sich die weitere
Hilfswelle 29 von oben nach unten und von unten wieder nach oben, wenn das Zahnrad
22 insbesondere im gleichen Umlaufsinn in die Ausgangslage weiter abrollt. Auf diese
leise ist die in einem Umlaufsinn erfolgende Drehbewegung des Antriebes 23 in eine
oszillierende Bewegung der weiteren Hilfswelle 29 umsetzbar. Die Stange 31 ist mittels
der fest angeordneten Führung 32 in die gleiche Richtung geführt in die die weitere
Hilfswelle 29 oszilliert. Um nun die Stange 31 in der Richtung des Durchmessers
PoP4 hin und her zu bewegen, ist diese mit einem Nitnehmer 33 fest verbunden, der
von der weiteren Hilfswelle 29 geführt wird, die sich bei ihrer Auf- und Abwärtsbewegung
zugleich in der axialen Bohrung des Mitnehmers 33 dreht.
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In Figur 2a ist der Teil der Zahnräder 21 und 22 vergrössert abgebildet,
wo sich die Zähne im Eingriff befinden. Hierbei ist der Teilkreis des Zahnrades
21 mit T21 und der Teilkreis des Zahnrades 22 mit T22 bezeichnet. Der Fusspunkt
PO
der Achse 30 der weiteren Hilfswelle 29 ist wieder mit P 0 benannt
und entspricht zugleich dem Punkt p der Gangpolbahn o bzw. des Kreises 12 in Fig.
1. P wird auch als Wälzpunkt 0 bezeichnet. Der Teilkreis T21 entspricht.dem Kreis
11 in Fig. 1 und der Teilkreis T22 dem Kreis 12 der letztgenannten Fig.
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In den Figuren 3a bis 3d ist im wesentlichen der Gegenstand der Fig.
2 in Vorderansicht schematisch darGestellt. Entsprechende Teile bzw. Positionen
sind gleich wie in Fig. 1 oder 2 bezeichnet. Hierbei sind die Zahnräder 21 und 22
symbolisch durch die Kreise 21 und 22 dargestellt, die zugleich den Kreisen 11 und
12ger Fig. 1 entsprechen. Die jeweilige Lage des Armes 26 ist auch in Fig. 1 strichliert
angedeutet und die jeweilige Lage des Mittelpunktes des Kreises 12 bzw. des Zahnrades
22 in den Fig. 3a bis 3d entsprechend wie in Fig. 1 (siehe O0, 01> °3 und 04)
benannt.
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Die in Fig. 2 mit 31 bezeichnete Stange dient nach den Figuren 3a
bis 3d als Isolierstange 3la und zugleich als bewegliches Kontaktstück 31b. Die
mit 32 in Fig. 2 bezeichnete Führung ist nach den Figuren 3a bis 3d als Gleitkontaktstück
32a ausgebildet und die feststehende Xontakttulpe ist mit 34 benannt. Die Stromzu-
sowie -abführungen sind mit 35 und 36 bezeichnet. Fig. 3a zeigt nun das Schaltgerät
im eingeschalteten Zustand. Das bewegliche Kontaktstück 31b befindet sich hierbei
in seiner oberen Endlage.
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Die Figuren 3b und 3c zeigen Zwischenstellungen im Verlaufe des Ausschaltvorganges
des Schaltgerätes. In Fig. 4 ist die untere Endlage des gesamten beweglichen Systems
beim ausgeschalteten Zustand des Schaltgerätes abgebildet. Wenn das Zahnrad 22 insbesondere
im gleichen Umlaufsinn eine weitere volle Umdrehung ausführt, gelangt es wieder
in die in Fig.
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3a dargestellte Ausgengslage, bei der das Schaltgerät wieder eingeschaltet
ist. Da die Isolierstange 31a zusarrmen n:it dem beweglichen Kontaktstück 31b nur
ene itin- und Herbewegung in Achsrichtung der Isolierstange 31a ausführen kann,
sind gegebenenfalls vorzusehende Führungen der Isolierstange 31a durch keine Querkräfte
zur Richtung der letztgenannten Achse beansprucht. Reiters genügt eine halbe Udrehung
der Welle 25 bzw. eine Drehung des Antriebes 23 durch einen inkel von 13Ö mit der
dadurch bewirkten vollen Umdrehung des irr. feststehenden Zahnrad 21 abrollenden
Zahnrades 22 - wie dies in ver Komentanstellungen in den Figuren 3a bis 3d dargestellt
ist - um das Schaltgerät aus dem eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand
überzuführen. Eine Wiedereinschaltung des Schaltgerätes erfordert ausserdem keine
Umkehrung der Drehrichtung des Antriebes 23.
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In Figur 4 ist das Schaltgerät in schematischer Seitenansicht dargestellt.
Hierbei sind die in den vorangehenden Figuren bereits abgebildeten Schaltgerätteile
wieder
gleichbezeichnet. Die in dem mit dem feststehenden Zahnrad
21 fest verbundenen Lager 24a sich drehende zelle 25 führt mittels ihrer Hilfswelle
27 das Zahnrad 22 derart, dass es im feststehenden Zahnrad 21 innen abrollt und
sich hierbei um die Hilfswelle 27 dreht. Die in P am Zahnrad 22 beo festigte weitere
Hilfswelle 29 dreht sich hierbei im ilitnenmer 33, der die mit diesem -eibundene
Isolierstange 31a zusammen mit dem beweglichen Kontaktstück 31b in deren Achsrichtung
ab- und aufbewegt. Bei gleichzeitiger Betrachtung mit den Figuren 3a bis 3d ist
reiters zu erkennen, dass eine relativ ungenaue Einstellung des Antriebes bzw. Getriebes
des Schaltgerätes nur einen geringen Einfluss auf die Lage des beweglichen Kontaktstückes
3lb hat. Nach einer vollen Umdrehung erreicht das Zahnrad 22 die in Fig.4 strichliert
eingezeichnete tiefste Lage. Der hub h, den die weitere Hilfswelle 29 und dadurch
das bewegliche Kontaktstück 3lb hierbei ausführt, entspricht dem Durchmesser des
Teilkreises T21 des feststehenden Zahnrades 21, so dass sich das Schaltgerät hinsichtlich
des Schalthubes durch eine geringe Bauhöhe auszeichnet.
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Die Figuren 5a und 5b zeigen eine Vorderansicht und einen Querschnitt
einer weiteren Getriebeausffihrung eines Schaltgerätes. Das feststehende Zahnrad
besteht im Gegensatz zur vorbeschriebenen Variante aus einem aussenverzahnten Zahnrad
oder Stirnzahnrad 21a. Die in diesem Zahnrad drehbar
gelagerte
Welle des Antriebes 23 ist wieder mit 25 bezeichnet und mit einem Kurbelarm 26a
fest verbunden. Im Kurbelarm 26a ist ein Wechselzahnrad 37 sowie ein bezüglich des
Stirnzahnrades 21a aussen abrollendes Zahnrad 22a drehbar gelagert, wobei das Wechselzahnrad
37 bei einer Drehbewegung der Welle 25 und dadurch des Kurbelarmes 26a am Stirnzahnrad
21a aussen umläuft und dadurch das aussen abrollende Zahnrad 22a antreibt. Das freie
Ende der mit dem aussen abrcllenden Zahnrad 22a sich mitdrehenden Zahnradwelle 22b
ist fest mit einem Kurbelhilfsarm 28a verbunden. Am freien de des Kurbelhilfsarmes
28a ist ein Kurbelzapfen 28b angeordnet, dessen Achsfusspunkt mit P. entsprechend
dem Punkt Pi = P0, P1, P2, P3, P4 im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel bezeichnet
ist. Der Normalabstand e der Achse der Zahnradwelle 22b von der Achse der Welle
25 ist hierbei gleich gross wie der Normalabstand d der Achse des Kurbelzapfens
28b von der Achse der Zahnradwelle 22b. Das Wechselzahnrad 37 kann hierbei eine
beliebige Zähnezahl aufweisen und dient nur der Umkehrung des Drehsinnes des aussen
abrollenden Zahnrades 22a. Das aussenverzahnte feststehende Zahnrad oder Stirnzahnrad
21a weist jedoch wieder einen doppelt so grossen Durchmesser bzw. eine doppelt so
grosse Zähne zahl wie das aussen abrollende Zahnrad 22a auf.
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In Figur 6 sind die den in Fig. 1 entsprechenden Positionen gleich
bezeichnet. Ausgehend von seiner Ausgangslage mit dem
Mittelpunkt
00, bei der der Kurbelarm 26a die gleiche Richtung wie der Kurbelhilfsarm 28 a einnimt
(siehe auch Fig. 5a).
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gelangt das aussen abrollende Zahnrad 22a nach einer Viertelumdrehung
in die eingezeichnete Lage mit. dem Mittelpunkt O1, wobei der Punkt P in die Lage
P1 gelangt, weil entsprechend 0 der Viertelumdrehung des Zahnrades 22a der Kurbelhilfsarm
28a mit dem Kurbelarm 26a einen reorten Winkel einschliesst und die Winkel α
bei U und P1 45° betragen. Nach einer halben Umdrehung des Zahnrades 22a bzw. einer
Umdrehung von 180° schliessen die beiden letztgenannten Arrne ebenfalls einen Winkel
von 1800 ein und gelangen zur Deckung, wobei der Mittelpunkt O0 in die Position
O2 kommt. Nach einer vollen Umdrehung des Zahnrades 22a schliessen die Arme 28 a
und 26a einen Winkel von 3600 bzw. nehmen die Arme die in Fig. 6 dargestellte um
180° gegenüber der Ausgangslage gedrehte Lage ein, wobei der Punkt P. auf der durch
die Punkte P0, P1, O0, P2, U, O4 und P3 bestimmten Geraden in seine nicht eingezeichnete
tiefste Lage Pq gelangt. Der Punkt P. beschreibt demnach bei einer Umdrehung des
aussen abrollenden Zahnrades 22a die Strecke P0P4 mit U als Streckenhalbierungspunkt,
wobei P. im Zuge einer im gleichen Drehsinn erfolgenden weiteren Umdrehung aus seiner
Lage P4 wieder in seine Ausgangslage P0 gelangt. Ganz allgemein ist hierzu noch
der Vollständigkeit halber festzustellen, dass jeder mit dem Kurbelhilfsarm 28a
fest verbundene vom Kurbelzapfen 28b verschiedene Kurbelzapfen beim Drehen der
Welle
25 eine Ellipsenbahn beschreibt, wenn man von der Zahnradwelle 22b absieht.
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In den Figuren 7a bis 7d sind entsprechend uen Fig. 3a bis 3d verschiedene
Stellungen der letztbeschriebenen Getriebeausführung im Zusammenwirken mit dem eigentlichen
Schalter dargestellt. Entsprechende Positionene sind wieder wie in den vorangebenden
Figuren bezeichnet. Die einzelnen Getriebestellungen entsprechen den Stellungen
in tig. 6. In Fig.
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7a ist das Schaltgerät wieder im eingeschalteten und in Fig. 7d im
ausgeschalteten Zustand dargestellt. Auch hier gilt wieder wie beim erstbeschriebenen
Ausführungsbeispiel, dass auch auch eine kontinuierlich fortgesetzte Drehbewegung
des Antriebes 23 bzw. der Welle 25 in eine Hin- und Herbewegung des Kontaktstückes
31b in dessen axialer Hichtung umgesetzt wird.