DE4314164A1 - Schleifringanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schleifringanordnung zur Übertragung elektrischer Signale, mit einem auf einer drehbaren Welle drehfest sitzenden Schleifringkörper, in dessen Umfangsfläche axial voneinander beabstandete Schleifringbahnen eingebettet sind und mit einem still­ stehenden Bürstenblock mit radial zu der Welle orien­ tierten Bohrungen, in deren jeder eine den in der glei­ chen Radialebene liegenden Schleifring federnd kontak­ tierende Bürste angeordnet ist.

Eine Schleifringanordnung der vorgenannten Gattung ist Stand der Technik. Bei den zu übertragenden elektrischen Signalen kann es sich insbesondere um analoge oder digi­ tale Meßwerte handeln. Der Bürstenblock oder Bürsten­ träger, der mit einem stillstehenden Maschinenelement fest verbunden ist, erstreckt sich je nach konstruktiver Ausbildung über einen gewissen Umfangswinkel, z. B. 30°, des in der Regel zylindrischen Schleifringkörpers und besteht aus isolierendem Werkstoff, der in Höhe jeder Schleifringbahn eine radiale Bohrung hat, in der eine Bürste in radialer Richtung federnd aufgenommen ist, die mit ihrer Stirnfläche die betreffende Schleifringbahn kontaktiert. Die Schleifringbahnen sind mit Signal­ leitungen verbunden, die in der Regel in einer Bohrung der drehbaren Welle zu den betreffenden Meßstellen ver­ laufen, während die Bürsten unmittelbar oder über ihre Bürstenfedern mit zu den Auswertungsgeräten verlaufenden Signalleitungen verbunden sind.

Es hat sich gezeigt, daß die Kontaktierungsstellen zwischen den Schleifringbahnen und den jeweiligen Bür­ sten die übertragenen Signale verfälschen können, vor allem, wenn es sich um digitale Signale handelt. In besonderem Maße gilt dies, wenn die Gesamtanordnung Stö­ ßen und/oder Vibrationen ausgesetzt ist, die radial zu der drehbaren Welle gerichtete Beschleunigungskomponen­ ten umfassen, wie dies typischerweise bei in Fahrzeugen eingebauten Schleifringanordnungen der Fall ist. Im Interesse einer möglichst hohen Güte der Signalübertra­ gung werden daher für die Schleifringbahnen und die Bür­ sten hochwertige Werkstoffe und unter Kontaktierungs­ gesichtspunkten günstige Werkstoffpaarungen benutzt. Dabei gilt es auch, hinsichtlich der Höhe der Feder­ belastung der Bürsten einen günstigen Kompromiß zwischen Kontaktierungssicherheit und Lebensdauer zu schließen. Bei Schleifringanordnungen, die Stößen oder Vibrationen ausgesetzt sind, muß allerdings zwangsläufig und unter Inkaufnahme einer entsprechend verkürzten Lebensdauer mit einer hohen Federbelastung der Bürsten gearbeitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbeson­ dere für den Einsatz in Fahrzeugen geeignete Schleif­ ringanordnung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die eine zuverlässige Signalübertragung mit langer Lebensdauer verbindet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bürstenblock den Schleifringkörper konzentrisch um­ schließt und je Schleifringbahn mit mehreren, umfangs­ symmetrisch verteilten Bohrungen zur Aufnahme je einer Bürste versehen ist, und daß jeweils alle dieselbe Schleifringbahn kontaktierenden Bürsten elektrisch parallelgeschaltet sind.

Auf diese Weise wird eine hohe Kontaktierungssicherheit auch bei einer vergleichsweise geringen Federbelastung jeder einzelnen Bürste erreicht, bzw. selbst dann, wenn die Gesamtanordnung Beschleunigungen von beispielsweise bis zu 200 g ausgesetzt ist, weil jede Beschleunigungs­ kraft, die, bezogen auf eine beliebige Schleifringbahn, der Federbelastung der in der gleichen Radialrichtung liegenden Bürste entgegenwirkt oder diese sogar aufhebt, gleichzeitig die Federbelastung der dieser Bürste zumin­ dest annähernd diametral gegenüberliegenden Bürste in entsprechendem Maße erhöht.

Eine besonders kompakte Ausführungsform dieser Schleif­ ringanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die in der gleichen Radialebene liegenden Bohrungen axial benach­ barter Radialebenen von einer Radialebene zur nächsten um jeweils einen halben Teilungsschritt versetzt ange­ ordnet sind.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Mehrfachkontaktie­ rung jeder Schleifringbahn macht es zumindest bei einer kompakten Schleifringanordnung notwendig, den Bürsten­ block mit engen Toleranzen zu fertigen. Bevorzugt wird hierfür ein Bürstenblock aus Metall, der mit einer iso­ lierenden Oberflächenbeschichtung versehen ist.

Die Montage und Demontage der Schleifringanordnung sowie das Auswechseln von Bürsten vereinfachen sich, wenn jede Bürste federbelastet und verschieblich in einem Köcher aus isolierendem Kunststoff sitzt und an ihrem feder­ belasteten, inneren Ende eine ihren Verschiebeweg be­ grenzende Anschlagschulter hat, die mit einem ent­ sprechenden Anschlagbund des Köchers zusammenwirkt.

Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn die Köcher in ihren Bohrungen durch eine Rastverbindung festgelegt sind.

Die elektrische Parallelschaltung und mechanische Siche­ rung der Bürsten erfolgt am besten dadurch, daß die An­ schlußkontakte aller dieselbe Schleifringbahn kontaktie­ render Bürsten über ein Metallband verbunden sind, das an seinen beiden Enden durch Schrauben gesichert ist.

Häufig wird eine Schleifringanordnung nur zeitweilig zur Übertragung elektrischer Signale benötigt. Um in solchen Fällen die Lebensdauer zu verlängern, wird vorgeschla­ gen, daß der näherungsweise zylindrische Bürstenblock aus zwei Halbschalen besteht, die einzeln längs einer zu der drehbaren Welle parallelen, von dieser beabstandeten Achse angelenkt und mittels einer gemeinsamen Abhebevor­ richtung in eine Stellung abschwenkbar sind, in der die Bürsten von den Schleifringbahnen abgehoben sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Abhebevorrich­ tung umfaßt diese einen in Höhe einer der Stirnflächen der Halbschalen angeordneten, in deren Trennebene ver­ schiebbaren Bolzen, der mit einem (rechtwinklig zu der Trennebene verlaufenden) Querglied verbunden ist, dessen beide Enden über je einen Lenker mit einer der Halbscha­ len in Wirkverbindung stehen. Eine mit grundsätzlich beliebigen Mitteln bewirkte, lineare Verschiebung des Bolzens wird auf diese Weise in eine Schwenkbewegung der zwei Halbschalen umgesetzt.

Eine Verbesserung dieser Abhebevorrichtung sieht vor, daß der verschiebbare Bolzen mit dem Querglied über Federelemente verbunden ist, die in beiden Endstellungen des Quergliedes eine geringfügige weitere radiale Ver­ schiebung des Bolzens relativ zu dem Querglied zulassen. Die auf diese Weise erreichte, elastische Kupplung des Bolzens mit den Halbschalen, die sich insbesondere am Anfang und am Ende des Verschiebewegs des Bolzens aus­ wirkt, vermeidet Zwangskräfte innerhalb der den Bolzen und die Halbschalen umfassenden Kinematik und erlaubt es daher, für die beiden Endstellungen der Halbschalen starre und dementsprechend präzise Anschläge vorzusehen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des mechanischen Antriebs für den Bolzen besteht darin, daß dieser an seinem dem Querglied abgewandten Ende einen Querstift trägt, der mit seinen beiden über die Mantelfläche des Bolzens überstehenden Stiftenden in zwei komplementäre, wendelförmig verlaufende Nuten in der Wandung einer drehbaren Hülse eingreift. Das außerhalb der Schleif­ ringanordnung liegende Ende der Hülse kann dann mit einem Rändelknopf oder dergleichen versehen werden.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform haben die beiden Nuten zur Verrastung des Bolzens in seinen beiden Endstellungen an ihren den Verschiebeweg des Bolzens begrenzenden jeweiligen Enden kurze Abschnitte mit zu der Wendelsteigung gegensinniger Steigung.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Schleifringanordnung nach der Erfindung schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht der Anordnung, zum Teil auch im Schnitt und aufgebrochen, jedoch ohne äußeres Gehäuse und Schwenkantrieb,

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3a und 3b eine Bürste einschließlich ihres Köchers in zwei Seitenansichten in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Stirnansicht der Anordnung in Betriebsstellung, wobei das Gehäuse in Höhe des Schwenkantriebes für die Halbschalen geschnitten ist,

Fig. 5 die gleiche Stirnansicht wie Fig. 4, jedoch mit abgehobenen Halbschalen,

Fig. 6a eine Seitenansicht des Drehknopfes und der Antriebshülse,

Fig. 6b eine Abwicklung der Hülse und

Fig. 6c eine Aufsicht auf den Drehknopf.

Die in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Schleifring­ anordnung umfaßt einen auf einer drehbaren Welle 1 dreh­ fest sitzenden Schleifringkörper 2 aus isolierendem Werkstoff, in dessen Umfangsfläche zahlreiche, nur von jeweils einem dünnen Isolierstoffsteg 3 getrennte Schleifringbahnen 4a, 4m, 4n, usw. eingebettet sind. Wie üblich und daher nicht dargestellt, sind die einzelnen Schleifringbahnen im Inneren des Schleifringkörpers 2 jeweils mit einem entsprechenden elektrischen Leiter verbunden (kontaktiert). Von dort verlaufen die Leiter in der Regel im Inneren der Welle 1 zu den Meßstellen oder dergleichen.

Der Schleifringkörper 2 ist konzentrisch von einem Bürstenblock umschlossen, der, wie Fig. 2 zeigt, aus zwei im wesentlichen spiegelsymmetrisch aufgebauten Halbschalen 5 und 6 besteht. Jede der Halbschalen 5 bzw. 6 hat im Bereich jeder ihrer beiden Stirnseiten eine Lagerlasche 5a, 5b bzw. 6a, 6b. Mit diesen Lagerlaschen sitzen die Halbschalen 5 und 6 schwenkbar auf einer zu der drehbaren Welle 1 parallelen Achse 7. In Fig. 2 sind der Übersichtlichkeit halber die Welle 1, der Schleif­ ringkörper 2 und die Achse 7 weggelassen.

In jeder Halbschale 5 bzw. 6 sitzen je radialer Ebene in entsprechenden radialen Bohrungen je vier Bürstenan­ ordnungen 8 zur Mehrfachkontaktierung der betreffenden Schleifringbahn. Dabei sind die Bürstenanordnungen axial aufeinanderfolgender, also benachbarten Schleifringbah­ nen entsprechender Ebenen jeweils um einen halben Tei­ lungsschritt in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine Bürstenanordnung 8 in vergrößertem Maßstab, bzw. die Fig. 3a eine der Schnitt­ ansicht der Fig. 2 entsprechende Seitenansicht und die Fig. 3b eine demgegenüber um 90° gedrehte Seitenansicht. Jede Bürstenanordnung 8 umfaßt einen Isolierstoffköcher 81, in dem eine z. B. aus einem Kupfer/Graphit-Gemisch bestehende Bürste 82 längsverschieblich und durch eine Feder 83 belastet aufgenommen ist. Die Bürste 82 hat eine Schlüsselfläche 821, die in Verbindung mit einem segmentförmigen Bund 811 am innenliegenden Ende des Kö­ chers 81 als Anschlagschulter wirkt, die ein Herausfal­ len der Bürste 82 aus dem Köcher 81 verhindert. Der Kö­ cher 81 hat einen Kopf 812, der an zwei gegenüberliegen­ den Seiten mit Nasen 813 versehen ist, die in Verbindung mit einem entsprechenden, am Umfang der Halbschalen 5 bzw. 6 ausgebildeten Profil einen lagerichtigen Einbau und eine Verrastung des Köchers in seiner Bohrung in der betreffenden Halbschale sicherstellen. Außerdem ist in dem Kopf 812 des Köchers 81 ein Kontaktierungs- oder Anschlußstift 84 eingepreßt, gegen den sich die Druckfe­ der 83 abstützt und der über eine Litze 822 mit der Bür­ ste 82 elektrisch verbunden ist.

Gemäß Fig. 2 sind die Anschlußstifte 84 aller in der selben Radialebene liegenden Bürstenanordnungen 8 der Halbschalen 5 bzw. 6 über je ein elastisches, durchge­ hendes Metallband 9 bzw. 10 kontaktiert, z. B. durch eine Lötverbindung. Die jeweiligen Enden der Metallbänder 9 bzw. 10 sind über in die betreffende Halbschale einge­ drehte Schrauben 9a, 9b bzw. 10a, 10b gesichert. Die Halbschalen 5 bzw. 6 bestehen vorzugsweise aus mit einer isolierenden Oberflächenbeschichtung versehenen Metall­ blöcken. Zusätzlich werden die Metallbänder 9, 10 nicht unmittelbar durch die Schrauben 9a, 9b bzw. 10a, 10b sondern indirekt über entsprechende, geteilte Isolier­ stoffklötze festgeklemmt. Die Metallbänder 9, 10 sind an beliebiger Stelle, vorzugsweise jedoch im Bereich ihrer durch die Schrauben 9b bzw. 10b festgelegter Enden durch eine hochflexible Litze (nicht dargestellt) miteinander elektrisch verbunden. Ebenfalls an grundsätzlich belie­ biger Stelle ist der jeweilige, weiterführende elektri­ sche Leiter mit einem der Metallbänder 9 oder 10 verbun­ den.

Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die beiden möglichen Stellungen der Halbschalen, nämlich Fig. 4 die "Be­ triebsstellung", in der die Halbschalen die auch in den Fig. 1 und 2 gezeichnete Stellung haben, in der die Bür­ sten 82 die entsprechenden Schleifringbahnen kontaktie­ ren, sowie die Fig. 5, die "Ruhestellung", in der die beiden Halbschalen 4 und 5 von dem Schleifringkörper 2 weggeklappt sind, so daß zwischen den Bürsten 82 und den entsprechenden Schleifringbahnen keinerlei Verschleiß auftritt. Wie bereits anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, sind die Halbschalen 5, 6 um eine zu der drehbaren Wel­ le 1 parallele Achse 7 schwenkbar gelagert. Hierzu trägt jede Halbschale 5 bzw. 6 einen Lagerbock 51 bzw. 61. An jedem dieser Lagerböcke ist je ein Lenkerhebel 21 bzw. 22 seinem einen Ende angelenkt. Die beiden anderen Enden der Hebel 21 bzw. 22 sind an einem gemeinsamen Querglied 23 angelenkt. Das Querglied 23 ist seinerseits mit einem Bolzen 25 elastisch verbunden. Hierzu ist oberhalb und unterhalb eines Steges 23a des Querglie­ des 23 je ein Tellerfedernpaket 26a angeordnet, das in einer entsprechenden Aussparung des Bolzens 25 unter­ gebracht ist, der deshalb aus Montagegründen zweiteilig ausgebildet sein muß, wobei die beiden Teile durch eine Schraube 24 miteinander verbunden sind.

Der Bolzen 25 hat im Bereich seines oberen Endes einen Querstift 27. Dessen überstehende Enden greifen in zwei zueinander spiegelbildliche, schraubenartig oder wendel­ förmig verlaufende Nuten in der Wand einer Hülse 28 ein. Die Hülse 28 reicht durch ein die Schleifringanordnung umschließendes Gehäuse 29 hindurch und ist mit einem Drehknopf 30 verbunden.

Die Hülse 28 und der Drehknopf 30 sind in Fig. 6a darge­ stellt. Die in Fig. 6b wiedergegebene Abwicklung der Hülse veranschaulicht genauer den Verlauf deren als Ku­ lissenführung wirkender Nuten 28a und 28b. Diese Nuten 28a und 28b haben an ihren den Verschiebeweg des Bolzens begrenzenden Ende kurze Abschnitte A1, B1, bzw. A2, B2, an denen sich die Schrauben- oder Wendelsteigung um­ kehrt. Hierdurch tritt in Verbindung mit der durch die Tellerfedernpakete 26a und 26b gewährleisteten elasti­ schen Verbindung des Bolzens 25 mit dem Querglied 23 in beiden Endstellungen eine Verrastung ein. Die Aufsicht in Fig. 6c veranschaulicht die Lage der Verrastungs­ punkte A1, A2 in der weggeklappten Stellung der Halb­ schalen 5, 6 der Fig. 5 bzw. der Verrastungspunkte B1, B2 in der normalen oder Betriebsstellung der Fig. 4.

Die Abhebevorrichtung kann, statt manuell über einen Drehknopf, auch in anderer Weise betätigt werden, z. B. fernbedient über einen elektrischen Drehantrieb, einen pneumatischen oder hydraulischen Stellzylinder und ähn­ liche, dem Fachmann bekannte Antriebe.

Claims (11)

1. Schleifringanordnung zur Übertragung elektrischer Signale, mit einem auf einer drehbaren Welle (1) drehfest sitzenden Schleifringkörper (2), in dessen Umfangsfläche axial voneinander beabstandete Schleifringbahnen (4a . . . 4m, 4n . . . ) eingebettet sind, und mit einem stillstehenden Bürstenblock (5, 6) mit radial zu der Welle orientierten Bohrungen, in deren jeder eine die in der gleichen Radialebene liegende Schleifringbahn federnd kontaktierende Bürste (82) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürstenblock (5, 6) den Schleifringkörper (2) kon­ zentrisch umschließt und je Schleifringbahn mit meh­ reren, umfangssymmetrisch verteilten Bohrungen zur Aufnahme je einer Bürste (82) versehen ist, und daß jeweils alle dieselbe Schleifringbahn kontaktieren­ den Bürsten (82) elektrisch parallelgeschaltet sind.

2. Schleifringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der gleichen Radialebene liegenden Bohrungen axial benachbarter Radialebenen von einer Radialebene zur nächsten um jeweils einen halben Teilungsschritt versetzt angeordnet sind.

3. Schleifringanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürstenblock (5, 6) aus Metall besteht und mit einer isolierenden Ober­ flächenbeschichtung versehen ist.

4. Schleifringanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bürste (82) federbelastet und verschieblich in einem Köcher (81) aus isolierendem Kunststoff sitzt und an ihrem federbelasteten, inneren Ende eine ihren Ver­ schiebeweg begrenzende Anschlagschulter (821) hat, die mit einem entsprechenden Anschlag (811) des Köchers (81) zusammenwirkt.

5. Schleifringanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Köcher (81) in ihren Boh­ rungen durch eine Rastverbindung (813) festgelegt sind.

6. Schleifringanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkon­ takte (84) aller dieselbe Schleifringbahn kontaktie­ render Bürsten über ein Metallband (9; 10) verbunden sind, das an seinen beiden Enden durch Schrauben (9a, 9b; 10a, 10b) gesichert ist.

7. Schleifringanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nähe­ rungsweise zylindrische Bürstenblock aus zwei Halbschalen (5, 6) besteht, die einzeln längs einer zu der drehbaren Welle (1) parallelen, von dieser beabstandeten Achse (7) angelenkt und mittels einer gemeinsamen Abhebevorrichtung (21 bis 30) in eine Stellung abschwenkbar sind, in der die Bürsten von den Schleifringbahnen abgehoben sind.

8. Schleifringanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhebevorrichtung einen in Höhe einer der Stirnflächen der Halbschalen (5, 6) angeordneten, in deren Trennebene verschiebbaren Bolzen (25) umfaßt, der mit einem Querglied (23) verbunden ist, dessen beide Enden über je einen Lenker (21, 22) mit einer der Halbschalen (5, 6) in Wirkverbindung stehen.

9. Schleifringanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare Bolzen (25) mit dem Querglied (23) über Federelemente (26) verbunden ist, die in beiden Endstellungen des Quergliedes (23) eine geringfügige weitere axiale Verschiebung des Bolzens (25) relativ zu dem Querglied (23) zulassen.

10. Schleifringanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (25) zu seiner Ver­ schiebung an seinem dem Querglied (23) abgewandten Ende einen Querstift (27) trägt, der mit seinen bei­ den über die Mantelfläche des Bolzens überstehenden Stiftenden in zwei komplementäre, wendelförmig ver­ laufende Nuten (28a, 28b) in der Wandung einer dreh­ baren Hülse (28) eingreift.

11. Schleifringanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Nuten (28a, 28b) zur Verrastung des Bolzens (25) in seinen beiden End­ stellungen an ihren den Verschiebeweg des Bolzens begrenzenden jeweiligen Enden kurze Abschnitte (A1, A2; B1, B2) mit zu der Wendelsteigung gegensinniger Steigung haben.