DE3431252C2

DE3431252C2 - Schalterantrieb für einen Drehschalter

Info

Publication number: DE3431252C2
Application number: DE3431252A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr.-Ing. 8152 Feldkirchen-Westerham Spinner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1987-05-14
Also published as: FR2586507A1; FR2586507B1; DE3431252A1; US4717799A; US4771142A

Abstract

Ein Schalterantrieb für einen Drehschalter besteht aus einem Zahnradgetriebe, das eingangsseitig von einem Elektromotor antreibbar ist und ausgangsseitig eine Schalterantriebswelle aufweist. Zur Erzielung einer hohen Umschaltgeschwindigkeit bei weicher Einleitung und vor allem weicher Beendigung des Umschaltvorganges ist die Schalterantriebswelle 14 drehfest mit einem Schaltarm 12 verbunden, in den ein Mitnehmer 10 eingreift, der exzentrisch auf einem Zahnrad 6 sitzt, das von dem Elektromotor über ein Ritzel 5 antreibbar ist und daß der Mitnehmer 10 derart exzentrisch zu der Schalterantriebswelle 14 gelagert ist, daß der Mitnehmer 10 in bezug auf den von dem Schaltarm 12 beschriebenen Kreisbogen entweder eine Hypozykloide oder eine Epizykloide beschreibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalterantrieb für einen Drehschalter vorzugsweise mit einem Schaltwinkel von 90°, bestehend aus einem Zahnradgetriebe, das eingangsseitig von einem Elektromotor antreibbar ist und ausgangsseitig eine Schalterantriebswelle aufweist, die drehfest mit einem Schaltarm verbunden ist, in den ein Mitnehmer eingreift, der exzentrisch auf einem von dem Elektromotor antreibbaren Zahnrad sitzt.
Derartige Schalterantriebe werden beispielsweise zur Fernbetätigung von Koaxialschaltern benötigt. Naturgemäß wird angestrebt, die Schaltzeit möglichst kurz zu halten. Noch wichtiger ist jedoch, daß der Schaltrotor in jeder Schaltstellung seine Endlage exakt erreicht. Wegen der zumal bei Leistungsschaltern erheblichen bewegten Massen sowohl des Schaltrotors als auch dessen Antriebes ergibt sich dabei das Problem, trotz hoher Schaltgeschwindigkeit den Schaltrotor weich zu beschleunigen und vor allem bei Erreichen seiner Endlage weich abzubremsen, damit mechanische Beschädigungen des Drehschalters und/oder seines Antriebes sowie Prellvorgänge vermieden werden. Mit einem Schalterantrieb der einleitend angegebenen Gattung ist dieses Problem lösbar, jedoch nur dann, wenn das Zahnradgetriebe ein hohes Untersetzungsverhältnis hat, das zwangsläufig zu einer niedrigen Schaltgeschwindigkeit führt.

Ein Schalterantrieb der einleitend angegebenen Gattung ist aus der DE-AS 22 11 329 bekannt. Der Elektromotor treibt über eine Freilaufkupplung eine Schnecke, die in Eingriff mit dem den Mitnehmer tragenden Zahnrad steht, wobei der Mitnehmer in einem Längsschlitz des Schaltarmes aufgenommen ist. Hohe Schaltgeschwindigkeiten lassen sich mit der Konstruktion ebensowenig erreichen wie ein weiches Abbremsen in einer genau definierten Endlage. Des weiteren sind nur zwei Schaltstellungen möglich und konstruktive Änderungen nötig, um den Schaltarm mittels des Elektromotors ohne Drehrichtungsumkehr des letzteren wieder in seine Ausgangslage zurückzuführen.

Aus der DE-AS 11 89 619 ist bereits eine Stufenschalteinrichtung bekannt, bei der eine Antriebswelle ein Ritzel antreibt, das mit einem Planetenrad kämmt, welches sich in einem innenverzahnten, feststehenden Zahnkranz abwälzt und einen exzentrischen Kurbelzapfen trägt, an dem eine Schaltstange angelenkt ist, und der eine Hypozykloide mit vier Umkehrpunkten im Verlaufe eines Umlaufes des Planetenrades in dem feststehenden Zahnkranz beschreibt.

Aus der DE-OS 27 24 448 ist schließlich ein Schalterantrieb bekannt, der ein Planetengetriebe mit feststehender Hohlradverzahnung enthält, das so ausgelegt ist, daß das Planetenrad über einen Exzenterzapfen und eine Kurbelwelle einem Kontaktstück eine lineare Hin- und Herbewegung erteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalterantrieb der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, der eine hohe Schaltgeschwindigkeit mit einer weichen Einleitung und vor allem einer weichen Beendigung des Schaltvorganges verbindet.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 angegeben. Die dem Mitnehmer erteilte Hypozykloidenbewegung ergibt bei weicher Beschleunigung und vor allem Abbremsung sowie hoher Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit zwischen den beiden Schaltstellungen eine sehr genaue Positionierung des Schaltarmes in seinen beiden Endlagen, so daß zusätzliche Anschläge überflüssig sind. Das Zahnraduntersetzungsgetriebe ist zudem selbsthemmend. Diese Ausführungsform eignet sich vor allem für Drehschalter hoher Leistung.

Eine zweite Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 2 angegeben. Diese eignet sich vor allem für kleinere Drehschalter und ist weniger aufwendig, da die Epizykloidenbewegung des Mitnehmers sich mit ortsfester Lagerung des den Mitnehmer tragenden Zahnrades erzielen läßt.

Da bei der Hypozykloidenbewegung des Mitnehmers dessen beide Endstellungen im achsfernen Bereich relativ weit auseinanderliegen, bei der Epizykloidenbewegung hingegen im achsnahen Bereich in verhältnismäßig geringem Abstand voneinander liegen, ist es insbesondere im letzteren Fall zweckmäßig, die Endstellungen des Schaltarmes zusätzlich durch einen Index festzulegen. Eine entsprechende konstruktive Ausbildung des Schalterantriebes ist in den Ansprüchen 3 bis 8 angegeben.

Anspruch 9 bezieht sich auf eine Ausführungsform, mit der sich Prellvorgänge innerhalb des Schalterantriebs vermeiden lassen, insbesondere wenn dieser Anschläge für die beiden Einlagen enthält.

Anspruch 10 bezieht sich auf eine Ausführungsform, die eine einfache Rückmeldung der Erreichung der jeweiligen Schaltstellung sowie eine selbsttätige Vorbereitung der für die nächste Schaltstellung erforderlichen Drehrichtungsumkehr des Elektromotors gestattet.

In der Zeichnung ist der Schalterantrieb nach der Erfindung anhand von zwei beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Schalterantriebes,

Fig. 2 eine Ansicht gemäß dem Pfeil A in Fig. 1, wobei der Schaltarm sich in der Mittelstellung befindet,

Fig. 3 die gleiche Ansicht wie Fig. 2, wobei der Schaltarm sich in einer seiner beiden Endstellungen befindet,

Fig. 4 eine Ansicht gemäß dem Pfeil B in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 6 eine Ansicht gemäß dem Pfeil A in Fig. 5, wobei der Schaltarm sich in der Mittelstellung befindet,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie E-F in Fig. 6,

Fig. 8 eine Ansicht gemäß dem Pfeil A in Fig. 5, wobei der Schaltarm sich in einer seiner beiden Endstellungen befindet,

Fig. 9 eine Ansicht entsprechend Fig. 6, jedoch mit einem zusätzlichen, federbelasteten Kulissenhebel,

Fig. 10 eine Ansicht entsprechend Fig. 8, jedoch mit dem zusätzlichen, federbelasteten Kulissenhebel in der Endstellung und

Fig. 11 eine Ansicht gemäß dem Pfeil B in Fig. 5.

Der Schalterantrieb nach den Fig. 1 bis 4 besteht aus einem näherungsweise zylindrischen Gehäuse 1, in dessen Stirnwand 2 eine von einem nicht dargestellten Elektromotor angetriebene Welle 3 gelagert ist, die über eine federbelastete Konusrutschkupplung 4 a bis 4 d ein Ritzel 5 antreibt. Das Ritzel 5 wirkt als Sonnenrad und kämmt mit einem ein Planetenrad bildenden Zahnrad 6, das in einem Planetenträger 7gelagert ist und sich auf einer gehäusefesten Innenverzahnung 8 abwälzt. Das Zahnrad 6 trägt exzentrisch einen Lagerbolzen 9 für eine Mitnehmerrolle 10. Die Mitnehmerrolle 10 liegt in einer Nut 11 eines Schaltarmes 12, der drehfest mit einer in dem Gehäusedeckel 13 gelagerten Schalterantriebswelle 14 verbunden ist.

Das Ritzel 5 kämmt außerdem mit einem zweiten Zahnrad 15, das einstückig mit einem Schaltnocken 16 zur Betätigung von Mikroschaltern wie zum Beispiel 17, 17 a in Fig. 1 ist.

Der Durchmesser und die Zähnezahl des Ritzels 5, des Zahnrades 6 und der Innenverzahnung 8 sowie die Exzentrizität der Mitnehmerrolle 10 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Mitnehmerrolle bei Drehung der Welle 3 die in den Fig. 2 bis 4 strichpunktiert gezeichnete Hypozykloide in bezug auf den von dem Schaltarm 12 beschriebenen Kreisbogen beschreibt, deren Endpunkte für die üblichen Drehschalter mit einem Schaltwinkel von 90° auf zueinander rechtwinkeligen Radien durch die Achse der Schaltwelle liegen.

Wie ein Vergleich der Fig. 2 und 3 erkennen läßt, führt die Hypozykloidenbewegung der Mitnehmerrolle 10 dazu, daß die Winkelgeschwindigkeit, die dem Schaltarm 12 beim Umschalten von einer Endstellung in die andere Endstellung erteilt wird, von Null beginnend langsam ansteigt, über einen verhältnismäßig großen Winkelbereich symmetrisch zur Mittelstellung ihr Maximum erreicht und dann wieder langsam auf Null abfällt, wenn die neue Endstellung erreicht ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Mitnehmerrolle 10 sich zunächst in der Nut 11 des Schaltarmes 12 nur radial in Richtung auf die Achse der Schalterantriebswelle bewegt, um dann zunehmend in eine bis zum Erreichen der Mittelstellung oder Winkelhalbierenden tangentiale Bewegungsbahn überzugehen. Auf diese Weise ergibt sich eine sanfte Beschleunigung zu Beginn der Schaltbewegung, eine hohe Schaltgeschwindigkeit zwischen den Endstellungen und eine sanfte Abbremsung am Ende der Schaltbewegung. Wegen der am Beginn und am Ende der Schaltbewegung radial gerichteten Verschiebung der Mitnehmerrolle 10 ist auch die in den Endlagen erreichte Stellung des Zahnrades 6 und damit der antreibenden Welle 3 unkritisch. Dies gilt in noch höherem Maße, wenn die Hypozykloidenbewegung der Mitnehmerrolle 10 so bemessen wird, daß sich an den Umkehrpunkten keine Spitzen sondern Schleifen ergeben. Da die von der Mitnehmerrolle 10 jeweils erreichte Endstellung unkritisch in bezug auf die Endstellung des Schaltarmes 12 ist, sind auch keine Endanschläge notwendig. Schließlich bewirkt die in den Endstellungen je nach Auslegung der Zykloidenbahn mehr oder weniger radiale Verschiebung der Mitnehmerrolle 10 in bezug auf die Achse der Schalterantriebswelle 14 von der Schalterantriebswelle 14 aus gesehen eine Selbsthemmung. Der angetriebene Drehschalter benötigt daher keine zusätzlichen Verrastungen oder andere Sicherungen in seiner jeweiligen Schaltstellung.

Die in Fig. 4 dargestellte Ansicht B zeigt nochmals die Bewegungsbahn der Mitnehmerrolle 10 von der gezeichneten Mittelstellung in die gestrichelt gezeichnete eine Endstellung, sowie die zugehörige, ebenfalls gestrichelt gezeichnete Endstellung des Schaltnockens 16, in der dieser die Schaltfahne 19 des Mikroschalters 18 betätigt.

In den Fig. 5 bis 11 ist eine zweite Ausführungsform des Schalterantriebs dargestellt. Gemäß Fig. 5 kämmt das von der Welle 3 über eine Reibkupplung angetriebene Ritzel 5 a mit einem Zahnrad 6, das im Unterschied zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 ortsfest drehbar gelagert ist. Das Zahnrad 6 a trägt exzentrisch den Lagerbolzen 9 für die Mitnehmerrolle 10, die in einer Nut 51 eines Schiebers 52 liegt, der seinerseits in einer Nut 53 des mit der Schalterantriebswelle 14 drehfest verbundenen Schaltarmes 54 geführt ist. Der Schieber 52 trägt außerdem einen Lagerbolzen 55, der sich durch einen Schlitz 56 in dem Schaltarm 54 erstreckt und auf dem eine Indexrolle 57 gelagert ist, die auf einer Führungsbahn 58, die in den Gehäusedeckel 13 eingefräst ist, läuft.

Die Führung der Indexrolle 10 in der Nut 51 des Schiebers 52 sowie dessen Führung in der Nut 53 des Schaltarmes 54 sowie der Verlauf der Führungsbahn 58 sind genauer aus den Fig. 6 und 7 zu ersehen.

Der Durchmesser und die Zähnezahl des Ritzels 5 a und des Zahnrades 6 a sowie die Exzentrizität der Mitnehmerrolle 10 sind so gewählt, daß diese Mitnehmerrolle 10 bei Drehung der Welle 3 die in Fig. 8 eingezeichnete Epizykloide beschreibt, deren Endpunkte für die üblichen Drehschalter mit einem Schaltwinkel von 90° auf zueinander rechtwinkligen Radien durch die Achse der Schalterantriebswelle liegen. Das Zahnrad 6 a dreht sich hierbei um etwa 270°.

Die beiden Endstellungen des Schaltarmes 54 sind durch die Indexrolle 57 und die Führungsbahn 58 festgelegt. Ohne diese Indexrolle und ihre Führungsbahn müßten alle ineinandergreifenden Teile mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden, da die Endpunkte der Epizykloide verhältnismäßig nahe beieinander und im achsnahen Bereich liegen. Bei der beschriebenen Ausführungsform genügt hingegen eine enge Tolerierung der Führungsbahn 58 und des Schlitzes 56 in dem Schaltarm 54 in bezug auf den Lagerbolzen 55 für die Indexrolle 57.

Um zu Beginn eines Umschaltvorganges beispielsweise ausgehend von der in Fig. 8 dargestellten Endstellung die Indexrolle 57 außer Eingriff mit dem von der Führungsbahn 58 gebildeten Index zu bringen, ist der Schieber 52 durch eine der Übersichtlichkeit halber in den Fig. 5 bis 8 nicht dargestellte, vorgespannte Feder radial nach außen belastet. Gemäß den Fig. 9 und 10 ist diese Feder als Schenkelfeder 59 ausgebildet, die sich einerseits gegen einen Anschlagstift 58 a des Schiebers 52, andererseits gegen einen Anschlagstift 54 a des Schaltarmes 54 abstützt.

Die Fig. 9 und 10 zeigen außerdem, daß an dem Schaltarm 54 ein der Übersichtlichkeit halber ebenfalls in den Fig. 5 bis 8 weggelassener Kulissenhebel 60 schwenkbar gelagert ist, der über einen Schlitz mit dem Anschlagstift 52 a des Schiebers in Eingriff steht. Ein Vergleich der Fig. 9 und 10 zeigt, daß der Kulissenhebel 60 so angeordnet und ausgebildet ist, daß der Lagerbolzen 9 für die Mitnehmerrolle 10 kurz vor Erreichen jeder der beiden Endstellungen des Schaltarmes 54 in eine an dem Kulissenhebel 60 ausgebildete Kulissenbahn einläuft und während des verbleibenden Drehwinkels den Kulissenhebel 60 in die in Fig. 10 gezeigte Lage verschwenkt. Hierbei nimmt der Kulissenhebel 60 den Schieber 52 über dessen Anschlagstift 52 a mit, drückt den Schieber 52 also gegen die Kraft der Schenkelfeder 59 radial nach innen und bringt hierdurch die Indexrolle 57 mit dem von der Führungsbahn 58 gebildeten Index zum Eingriff. Damit ist der Schaltarm 54 positionsgenau in der Endlage verriegelt. Zweck des Kulissenhebels ist es, den verhältnismäßig geringen Weg, den die Mitnehmerrolle 10 in Richtung radial zur Achse der Schalterantriebswelle und damit zur Drehachse des Schaltarmes zurücklegt, in eine betragsmäßig größere Verschiebebewegung des Schiebers 52 zu übersetzen, damit die Indexrolle 57 ausreichend tief in den von der Führungsbahn 58 in den beiden Endlagen gebildeten Index eingreifen kann. Dementsprechend kann auf den Kulissenhebel 60 verzichtet werden, wenn für das Ritzel 5 a und das Zahnrad 6 a entsprechend größere Durchmesser gewählt und der Nachteil eines dementsprechend größeren Gehäuses des Schalterantriebes in Kauf genommen wird.

Fig. 11 zeigt die Lage der Mitnehmerrolle in der Mittelstellung sowie in gestrichelten Linien die Lage der Mitnehmerrolle in ihrer einen Endstellung und die beiden zugehörigen Lagen des Schaltnockens 16 a des weiteren, mit dem Ritzel 5 a kämmenden Zahnrades 15 a, wobei die Funktion dieser letztgenannten Teile die gleiche wie die der entsprechenden Teile in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 4 ist.

Im Unterschied zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 ist ferner bei dieser Ausführungsform an dem Zahnrad 6 a ein Anschlag 65 vorgesehen, der in jeder der beiden Endlagen des Zahnrades 6 a mit je einem gehäusefesten Anschlag 66 a und 66 b zusammenwirkt. Zur Vermeidung eines Rückprellens sind die drei Anschläge weichmagnetisch ausgeführt und zwischen den Anschlägen 66 a und 66 b ist ein Permanentmagnet 67 (vgl. auch Fig. 5) angeordnet.

Im übrigen entspricht der Bewegungsablauf der Mitnehmerrolle 10 bei dieser Ausführungsform sinngemäß dem im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Bewegungsablauf, so daß sich auch die gleichen, dort angegebenen Vorteile ergeben.

Claims

1. Schalterantrieb für einen Drehschalter vorzugsweise mit einem Schaltwinkel von 90°, bestehend aus einem Zahnradgetriebe, das eingangsseitig von einem Elektromotor antreibbar ist und ausgangsseitig eine Schalterantriebswelle aufweist, die drehfest mit einem Schaltarm verbunden ist, in den ein Mitnehmer eingreift, der exzentrisch auf einem von dem Elektromotor antreibbaren Zahnrad sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterantriebswelle (14) gleichachsig zu der Welle (3) des Elektromotors liegt, daß das den Mitnehmer (10) tragende Zahnrad (6) über ein auf der Welle (3) des Elektromotors sitzendes Ritzel (5) antreibbar ist und sich auf einer zu der Schalterantriebswelle (14) koaxialen, ortsfesten Innenverzahnung (8) derart abwälzt, daß der Mitnehmer (10) in bezug auf den von dem Schaltarm (12) beschriebenen Kreisbogen eine Hypozykloide beschreibt.

2. Schalterantrieb für einen Drehschalter vorzugsweise mit einem Schaltwinkel von 90°, bestehend aus einem Zahnradgetriebe, das eingangsseitig von einem Elektromotor antreibbar ist und ausgangsseitig eine Schalterantriebswelle aufweist, die drehfest mit einem Schaltarm verbunden ist, in den ein Mitnehmer eingreift, der exzentrisch auf einem von dem Elektromotor antreibbaren Zahnrad sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterantriebswelle (14) gleichachsig zu der Welle (3) des Elektromotors liegt, und daß das den Mitnehmer (10) tragende Zahnrad (6 a) über ein auf der Welle (3) des Elektromotors sitzendes Ritzel (5 a) antreibbar ist und ortsfest derart exzentrisch zu der Antriebswelle (14) gelagert ist, daß der Mitnehmer (10) in bezug auf den Schaltarm (54) eine Epizykloide beschreibt.

3. Schalterantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (10) in einen Schieber (52) eingrift, der längs des Schaltarmes (54) verschiebbar geführt ist und eine Indexrolle (57) trägt, die auf einer gehäusefesten Führungsbahn (58) läuft.

4. Schalterantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (52) in einer Nut (53) des Schaltarms (54) geführt ist.

5. Schalterantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (52) durch eine sich gegen den Schaltarm (54) abstützende Feder (59) radial nach außen belastet ist.

6. Schalterantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schaltarm (54) ein Kulissenhebel (60) schwenkbar gelagert ist, mit dem der Mitnehmer (10) jeweils kurz vor Erreichen seiner beiden Endstellungen in Eingriff kommt und der den Schieber (52) in eine verriegelte Endstellung schiebt.

7. Schalterantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (6 a) einen Anschlag (65) trägt, der in jeder der beiden Endstellungen mit einem gehäusefesten Anschlag (66 a, 66 b) zusammenwirkt.

8. Schalterantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Anschläge mittels eines Dauermagneten (67) magnetisiert ist.

9. Schalterantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel (5; 5 a) mit der Welle (3) des Elektromotors über eine Rutschkupplung (4 a bis 4 d) verbunden ist.

10. Schalterantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel (5, 5 a) mit einem weiteren Zahnrad (15, 15 a) kämmt, das mit einem Schaltnocken (16, 16 a) verbunden ist, der in jeder der beiden Endstellungen mindestens einen Mikroschalter (17, 18) betätigt.