DE3402948C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für ein Schaltgerät in elektrischen Anlagen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der gemäß § 3 Abs. 2 PatG zum Stand der Technik gehörenden DE-PS 32 28 173 ist eine Betätigungsvorrichtung mit einem motorgetriebenen Kippgelenkmechanismus beschrieben, durch den eine Schraubenfeder zusammengedrückt wird. In der Totpunktlage des Kippgelenks ist die maximale Kompression der Feder erreicht. Ein Überfahren der Totpunktlage führt zu einer schlagartigen Expansionsbewegung der Feder, die über einen Hebel und eine Abtriebswelle zur Betätigung eines Schaltgerätes dient. Derartige federbetätigte Kippgelenkmechanismen haben einen einfachen und robusten Aufbau und sind unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten anderen bekannten Antriebsmechanismen für Schaltgeräte überlegen. Nachteilig an Kippgelenkmechanismen mit Schraubenfederantrieb ist allerdings, daß sich bei Schaltgeräten für starke elektrische Ströme eine ausreichend große Anfangstrenngeschwindigkeit der Kontakte nicht erreichen läßt, da bei Überfahren der Totpunktlage und Einsetzen der Expansion der Feder die von der Feder freigesetzte Energie geringer ist als die zu ihrer Kompression aufgebrachte Energie.

Durch größere Dimensionierung der Feder ließe sich zwar ihre maximale Kompressionskraft erhöhen und eine größere Anfangstrenngeschwindigkeit erreichen, doch müßte dann die von den beweglichen Teilen des Schaltgerätes bei Beendigung des Betätigungsvorgangs aufgenommene Überschußenergie durch eine geeignete Dämpfungseinrichtung absorbiert werden. Es würde sich demnach das Problem ergeben, daß der gesamte Schaltmechanismus bei Beendigung des Betätigungsvorgangs infolge der auftretenden Stoßkraft Schwingungen ausführt. Die Lösung dieses Problems erfolgt nach der DE-PS 32 28 173 durch einen federbetätigten Kippgelenkmechanismus, bei dem die Expansionsbewegung der Feder über eine besonders ausgebildete Steuerkurveneinheit auf die Abtriebswelle des Kippgelenkmechanismus übertragen wird, so daß die Feder den größten Teil ihrer gespeicherten Energie in der Anfangsphase ihrer Expansionsbewegung freigibt und somit die erwünschte hohe Anfangstrenngeschwindigkeit erreicht wird. Allerdings erfordert die Betätigungsvorrichtung nach der DE-PS 32 28 173 einen erheblichen Bauaufwand, so daß sie entsprechend groß und kompliziert ausfällt. Aufgrund der großen Zahl von gleit- bzw. schwenkbeweglich miteinander verbundenen Teilen ergeben sich, insbesondere in Freiluft- Schaltanlagen, Schwierigkeiten wegen auftretender Betriebsstörungen infolge von Verschmutzung, Vereisung oder dergleichen.

Es ist bekannt, daß Flüssigkeitsfedern die Eigenschaft besitzen, bei geringer Baugröße sehr große Federkräfte entwickeln zu können, insbesondere vom Moment ihrer Expansion an, und praktisch keine Verlustenergie aufweisen. So ist beispielsweise aus der DE-AS 11 66 560 eine Flüssigkeitsdruckfeder mit Differentialkolben bekannt, die unabhängig davon, ob Druck oder Zug auf die Feder einwirkt, stets nur auf Druck beansprucht wird, in ihrem Aufbau einfach ist und insbesondere bei Anhängerkupplungen für Fahrzeuge Verwendung findet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für ein Schaltgerät in elektrischen Anlagen, zu schaffen, die unter Beibehaltung der kompakten und einfachen Bauform einer herkömmlichen motorgetriebenen Betätigungsvorrichtung die zur schnellen Trennung der Kontakte erforderliche hohe Anfangstrenngeschwindigkeit erreicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruch 1.

Da eine Flüssigkeitsfeder die bereits erwähnten Vorzüge großer Energiespeicherung und -abgabe bei geringer Baugröße verbindet, kann bei der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung die einfache und robuste Bauform einer herkömmlichen Betätigungsvorrichtung beibehalten und dennoch eine Arbeitscharakteristik erreicht werden, bei der der größte Teil der Energie in der Anfangsphase der Betätigung freigegeben wird, so daß die erforderliche hohe Anfangstrenngeschwindigkeit der Kontakte des Schaltgerätes erreicht wird.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Ansicht einer herkömmlichen Betätigungsvorrichtung zusammen mit einem Schalter, der von dieser Vorrichtung gesteuert wird,

Fig. 2A-2D in schematischer Aufrißdarstellung die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in vergleichender graphischer Darstellung aus dem Verhältnis von Druck zu Volumenkompression gewonnene Kennlinien von verschiedenen Flüssigkeiten,

Fig. 4 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung zusammen mit einem Schalter, der von dieser Betätigungsvorrichtung gesteuert wird; und

Fig. 5A-5C Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung gemäß Fig. 4.

Anhand der Fig. 1 und der Fig. 2A bis 2D soll die Arbeitsweise einer herkömmlichen Betätigungsvorrichtung mit einer Metallfeder erläutert werden.

Gemäß Fig. 1 ist ein Motorhebel 1 auf einer Motorwelle 1 a befestigt, und dafür ausgelegt, mit einem Vorsprung 2 a eines Federhebels 2 in Eingriff zu gelangen, wobei der Federhebel 2 in einer Hebelwelle 20 a gelagert und an einem seiner Enden mit einer Spiralfeder 5 verbunden ist. Ein Abtriebshebel 3 ist auf einer Abtriebswelle 4 befestigt und dafür ausgelegt, mit einem anderen Vorsprung 2 b in Eingriff zu gelangen. Die Vorsprünge 2 a und 2 b sind auf einander gegenüberliegenden Flächen des Federhebels 2 angeordnet. An der Abtriebswelle 4 sind ein weiterer Abtriebshebel 6 und ein Dämpfungshebel 41 angeordnet, und ein Stoßdämpfer 42 ist zur Vermeidung von unerwünschten Vibrationen an einem Ende des Dämpfungshebels 41 befestigt. Die Wellen 1 a, 20 a und 4 sind in zueinander koaxialer Anordnung drehbar mittels verschiedener Lager gelagert, welche in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Abtriebsbewegung der Abtriebswelle 4 wird über einen Verbindungsstab 7 und eine Kurbel 8 einem beweglichen Kontakt 9 zugeführt, der mit einem festen Kontakt 10 in Eingriff bringbar ist und wieder von diesem Kontakt 10 lösbar ist, wenn er in einer Richtung bewegt wird, die in der Fig. 1 mit dem Pfeil C bzw. dem Pfeil O bezeichnet ist.

Anhand der Fig. 2A bis 2D soll die Arbeitsweise der oben erwähnten herkömmlichen Betätigungsvorrichtung erläutert werden.

Wenn ein Betätigungsbefehl gegeben wird, beginnt ein in der Zeichnung nicht dargestellter Antriebsmotor zu drehen und treibt den Motorhebel 1 über die Motorwelle 1 a in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, wie in Fig. 2A dargestellt ist.

Während der Motorhebel 1 sich dreht, gerät er in Anlage mit dem Vorsprung 2 a des Federhebels 2 und bewegt ihn in eine Richtung entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn, wobei die Spiralfeder 5 nach unten gedrückt wird, bis sie in einer Stellung gemäß Fig. 2B ist, in der der Federhebel 2 in einer unteren Totpunktlage ist und die Spiralfeder 5 maximal zusammengedrückt ist. Das untere Ende der Spiralfeder 5 wird in einem Behälter geführt, der von einem Bolzen 5 a, der parallel zu der Hebelwelle 20 a verläuft, gehalten ist.

In der unteren Totpunktlage der Spiralfeder 5 gerät der andere Vorsprung 2 b des Federhebels 2 in Anlage mit dem Abtriebshebel 3.

Wenn ein Verbindungsbolzen 21, der den Federhebel 2 und die Spiralfeder 5 verbindet, über eine gedachte Linie hinaus bewegt wird, die die Achse der Hebelwelle 20 a und die Achse des Bolzens 5 a verbindet, gibt die Spiralfeder 5 schlagartig ihre Energie ab, und der Vorsprung 2 b schiebt den Abtriebshebel 3 in Richtung entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn, wobei die Abtriebswelle 4 schlagartig gedreht wird.

Durch das Freiwerden der Energie der Spiralfeder 5 wird der Federhebel 2, wie in Fig. 2C dargestellt, entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und beendet diese Bewegung in einer oberen Totpunktlage, wie in Fig. 2D dargestellt. Dies bedeutet, daß in diesem Moment die Bewegung des Federhebels entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn angehalten wird und deshalb die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn der Abtriebswelle 4 ebenfalls angehalten wird. Dies hat zur Folge, daß der bewegliche Kontakt 9 den festen Kontakt 10 schlagartig berührt, was zur Folge hat, daß der geschlossene Zustand eines Schalters erreicht ist, der von dem festen Kontakt 10 und dem beweglichen Kontakt 9 gebildet wird, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Eine umgekehrte Arbeitsweise wird erreicht, indem die Abläufe der Fig. 2A bis 2D in umgekehrter Reihenfolge ablaufen, wobei der Antriebsmotor in umgekehrte Drehrichtung läuft, was zur Folge hat, daß der bewegliche Kontakt 9 schlagartig von dem festen Kontakt 10 getrennt wird, um den Schalter zu öffnen.

Aus dieser bekannten Ausführungsform ergeben sich die bereits eingangs geschilderten Nachteile.

Anhand der Fig. 3, 4 und 5A bis 5C soll nun die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung erläutert werden, wobei die Fig. 5A bis 5C weitere Ausführungsformen darstellen.

Flüssigkeitsfedern, welche die Kompressionscharakteristik einer Flüssigkeit verwenden, haben in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt, da sie im Vergleich zu ihrer großen Energiespeicherkapazität eine geringe Baugröße aufweisen. Sie werden beispielsweise als Stoßdämpfereinrichtung in Flugzeugen oder ähnlichem verwendet, wo eine hohe Federspeicherkapazität bei gleichzeitig geringem Platzbedarf benötigt wird.

Als technisches Problem bei der Entwicklung von Flüssigkeitsfedern stellte sich heraus, daß es wichtig ist, einen extrem dichten Behälter und eine Flüssigkeit mit hohem Kompressionsindex zu verwenden; diese Probleme wurden bereits beide gelöst. Als Kompressionsflüssigkeit können verschiedene Substanzen verwendet werden, die einen Volumenkompressionswert von ungefähr 7% bei 981 bar (1000 kg/cm²) aufweisen, wie beispielsweise Kunstharz A auf Silikonbasis (Dow-Corning F 4029 "flüssig"), in Fig. 3 durch die Kurve a dargestellt, und Kunstharz B (Dow-Corning F 200 Typ "flüssig"), das in Fig. 3 durch die Kurve b dargestellt ist. Durch die Verwendung derartiger Flüssigkeiten, die hohe Kompressionsindizes aufweisen, kann das Innenvolumen und die Stärke der Zylinderwandungen in der Flüssigkeitsfeder verringert werden, wodurch eine Verringerung der Größe der Flüssigkeitsfeder möglich gemacht ist. In Fig. 3 ist mit der Kurve c die Charakteristik von Petroleumöl und mit der Kurve d die Charakteristik von Glycerin dargestellt.

Anhand der Fig. 4 und der Fig. 5A bis 5C werden nun in folgenden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung erläutert.

Die in Fig. 4 dargestellte Betätigungsvorrichtung entspricht in Aufbau und Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Betätigungsvorrichtung mit der Ausnahme, daß die herkömmliche Spiralfeder 5 durch eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsfeder 50 ersetzt ist. Da im übrigen gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, wird auf die vorstehende Beschreibung der Fig. 1 Bezug genommen.

Die Fig. 5A bis 5C sind Schnittansichten von verschiedenen Ausführungsformen der Flüssigkeitsfeder 50 gemäß Fig. 4.

Der Aufbau gemäß Fig. 5A ist von grundlegender Art, wobei ein Zylinder 12 eine Flüssigkeit 11 beinhaltet, die eine Charakteristik aufweist, welche sie als Flüssigkeitsfeder geeignet macht. Ein Kolben 13 ist gleitbeweglich geführt und mit einer Kolbenstange 14 verbunden. Der Kolben 13 weist eine Scheibe mit mehreren Öffnungen 15 eines vorgegebenen Durchmessers auf, um so einen vorbestimmten Flüssigkeitswiderstand bezüglich der Kolbenbewegung zu schaffen. In dieser Flüssigkeitsfeder 50 wird die Flüssigkeitsfederkraft nicht durch Bewegung des Kolbens 13 erzeugt, sondern durch eine Volumenverringerung der Federflüssigkeit 11 durch das Einführen der Kolbenstange 14, und dieser Flüssigdruck erzeugt eine Federkraft in der Federflüssigkeit 11 entgegen einer von außen ausgeübten Kraft, die durch einen Pfeil 16 dargestellt ist und die über die Kolbenstange 14 ausgeübt wird. Dies hat zur Folge, daß die Rückstellkraft der Flüssigkeitsfeder gleich dem Produkt des Flüssigkeitsdruckes und dem Querschnitt der Kolbenstange 14 ist. Falls es erwünscht ist, kann ein Ablaß- oder rückwärtiges Absperrorgan (Ventil) in dem Kolben 13 vorgesehen werden, um somit eine passende Richtungscharakteristik in Form eines Stoßdämpfers zu erhalten. Mit dem Bezugszeichen 17 ist eine Dichtungseinrichtung gekennzeichnet.

Fig. 5B zeigt eine andere Ausführungsform einer Flüssigkeitsfederanordnung, welche als Zugfeder arbeitet. Diese als Zugfeder arbeitende Flüssigkeitsfeder weist einen Zylinder 12 auf, der mit einer Federflüssigkeit 11 gefüllt ist. Weiterhin ist ein Kolben vorgesehen, dessen vergrößerter Durchmesserbereich 14 a gleitbeweglich derart gelagert ist, daß im Falle des Herausziehens der Kolbenstange 14′ der vergrößerte Durchmesserbereich 14 a in die Federflüssigkeit 11 hineingezogen wird. Dies bedeutet, daß im Falle des Herausziehens der Kolbenstange 14′ in eine Richtung gemäß eines Pfeiles 16′, und damit als Ergebnis des Hineinziehens des größeren Durchmesserbereiches 14 a des Kolbens das Volumen der Federflüssigkeit 11 verringert wird und somit der Innendruck in der Federflüssigkeit 11 erhöht wird. Da der größere Durchmesserbereich 14 a der Kolbenstange 14′ so gelagert ist, daß er die Bodenwandung des Zylinders 12 durchtritt, ist ein zweites Dichtungsbauteil 17′ an dieser Bodenwandung angeordnet.

Fig. 5C zeigt eine Flüssigkeitsfeder mit langem Arbeitshub, bei der eine zylindrische Stange 14′′ so ausgebildet ist, daß sie einen inneren Hohlraum 141 aufweist, der über Öffnungen 15 mit einem Außenraum 11′ verbunden ist, um die Rückstellkraft pro Hub des Kolbens zu verringern. Das Ergebnis einer derartigen Ausbildung ist, daß die Federkonstante verringert werden kann, ohne daß die Festigkeit der zylindrischen Stange 14′′ verlorengeht. Selbstverständlich muß bei dieser Ausbildungsform die obere Dichtung 17′′ als koaxiale Doppelringdichtung ausgebildet sein.

Die bisher erläuterte Flüssigkeitsfeder wird im Vergleich zu herkömmlichen Metallspiralfedern in der folgenden Tabelle verglichen, wobei sowohl die Metallfeder als auch die Flüssigkeitsfeder so ausgebildet sind, daß sie eine Maximallast von 225,5×10³ N (23 Tonnen) bei einem Hub von 127 mm aufweisen, das heißt, daß die Federrückstellkraft bei einer Federzusammendrückung von 127 mm 225,5×10³ N beträgt.

Bei dem in der Tabelle angegebenen Beispiel wird die Federflüssigkeit des synthetischen Harzes A, das in Fig. 3 durch die Kurve a dargestellt ist, verwendet, wobei diese Federflüssigkeit um 18% komprimiert werden kann, wenn ein Druck von 3,434×10³ bar (3500 kg/cm²) aufgebracht wird.

Es sei angenommen, daß in der Flüssigkeitsfeder gemäß Fig. 5A der Durchmesser der Kolbenstange 25 mm beträgt; daß, wenn die Kolbenstange in den Innenraum des Zylinders 12 mit einem Hub von 127 mm eingeführt wird, das Innenvolumen des Zylinders 12 um 18% abnimmt und daß das Gesamtvolumen V der Federflüssigkeit wie folgt gegeben ist:

Wenn man von kleinen Veränderungen in der Stahlstruktur unter den hohen Druckbedingungen absieht, bedeutet die oben erwähnte Gleichung, daß ein Zylinder 12 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 46 mm, einem Außendurchmesser von ungefähr 76 mm und einer Innenlänge von ungefähr 218 mm verwendet werden kann. Wenn man annimmt, daß sowohl die obere als auch die untere Bodenfläche je 43 mm dick sind und der Kolbenhub 127 mm beträgt, erhält man als Gesamtlänge etwa 430 mm.

In Falle des vergleichenden Beispiels gemäß der Tabelle weist eine herkömmliche Metallspiralfeder einen Außendurchmesser von 920 mm auf, die Wicklung ist aus Federstahl mit einem Durchmesser von 76 mm gefertigt, die Windungslänge beträgt 1730 mm, und die Windung hat ein Gewicht von 186,4×10³ N (19 t).

Wie sich aus obigem Beispiel ergibt, kann, wenn Federn mit der gleichen Federenergiespeicher-Charakteristik gemacht werden sollen, die Flüssigkeitsfeder mit einer Länge, die ungefähr ¼ der Länge einer herkömmlichen Metallfeder hat, und einem Durchmesser, der ungefähr ¹/₁₂ des Durchmessers einer herkömmlichen Metallfeder hat, verwendet werden. Dies bedeutet, daß die Flüssigkeitsfeder bezüglich der geringen Größe sehr vorteilhaft ist.

Die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung gemäß Fig. 4 ist gleich derjenigen einer herkömmlichen Betätigungsvorrichtung mit einer Metallspiralfeder, die bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2D beschrieben wurde, und somit trifft auf diese Arbeitsweise die gleiche Beschreibung zu, mit der Ausnahme, daß anstelle der Metallspiralfeder 5 eine Flüssigkeitsfeder 50 verwendet wird.

Wie bisher beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung aufgrund der geringen Abmessungen des Federteiles sehr vorteilhaft, da damit die Gesamtabmessung der Vorrichtung verringert werden kann. Weiterhin sind bei der bisher beschriebenen Flüssigkeitsfedervorrichtung im Gegensatz zu den herkömmlichen hydraulischen Vorrichtungen keine Leitungsführung und keine Leitungsverbindungen notwendig; die Anzahl der Dichtteile zum Abdichten der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit ist gering, und deshalb bestehen kaum Probleme bezüglich von Öl-Leckagen, selbst nach einer Verwendung über einen langen Zeitraum hinweg.

Claims (4)

1. Betätigungsvorrichtung, insbesondere für ein Schaltgerät in elektrischen Anlagen, mit einer Einrichtung zum Speichern und Abgeben von Energie, welche von einer Antriebsvorrichtung aufgebracht wird, und mit einer Einrichtung zum Übertragen der gespeicherten Energie zu dem Schaltgerät, wobei die Energieabgabe und -übertragung gegenüber der Energiespeicherung im wesentlichen verzögerungsfrei erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Speichern von Energie eine Flüssigkeitsfeder (50) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfeder (50) eine Flüssigkeitsdruckfeder ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfeder (50) eine Flüssigkeits- Zugfeder ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfeder (50) einen Zylinder aufweist, der mit einer synthetischen Harzflüssigkeit gefüllt ist, welche eine auffallende Druck-/Kompressionseigenschaft aufweist.