DE4314166A1 - Getriebe, insbesondere für einen elektromagnetischen Schalterantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur Übersetzung des Drehwinkels einer Antriebswelle in einen vergrößerten Drehwinkel einer Abtriebswelle, insbesondere für einen elektromagnetischen Antrieb für HF-Schalter.

Bezogen auf den bevorzugten Anwendungsfall eines Schal­ terantriebes, stellt sich häufig das Problem, ein dreh­ bewegliches Schaltorgan von teilweise erheblicher Masse um den konstruktiv vorgegebenen Schaltwinkel, meist 90°, mit kurzer Schaltzeit, also mit einer möglichst hohen Winkelgeschwindigkeit, hin- und herschalten zu müssen, hierbei jedoch das Auftreten hoher Kräfte sowohl im Schalter als auch in dessen Antrieb zu vermeiden, damit der Verschleiß und der Energiebedarf minimiert werden. Des weiteren ist häufig ein Vorlauf der Antriebswelle vor Beginn der Drehbewegung des Schaltorgans und ein Nachlauf nach Erreichen der Endstellung des Schaltorgans notwendig, um Hilfsfunktionen wie mechanische Verriege­ lungen oder elektrische Signalkontakte zu betätigen.

Bisher werden zur Erzielung solcher Bewegungsabläufe meist Zykloidengetriebe verwendet, die es zwar gestat­ ten, einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen den an­ triebsseitigen Drehwinkeln und Winkelgeschwindigkeiten zu realisieren, jedoch verhältnismäßig kompliziert auf­ gebaut sind. Außerdem arbeiten die meisten Getriebe mit einem rotierenden Antrieb, also beispielsweise einem Elektromotor, obwohl zur Erzielung kurzer Schaltzeiten sowie zur Verminderung des Platzbedarfes und der An­ triebsleistung hin- und hergehende Antriebe, beispiels­ weise Klappankersysteme, vorteilhafter sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, das bei einfachem und platzsparendem Aufbau eingangsseitig wahl­ weise rotierend oder hin- und hergehend antreibbar ist und dessen Abtriebswelle eine alternierende Drehbewegung ausführt, deren Drehwinkel und deren Drehmoment mit ein­ fachen konstruktiven Mitteln weitgehend unabhängig von dem Drehwinkel und der Winkelgeschwindigkeit der An­ triebswelle festlegbar sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Lösung können durch entsprechende Gestaltung der Mitnehmerscheibe, insbesondere deren Durchmessers im Bereich der beiden Kurvenbahnen und durch die Länge die­ ser Kurvenbahnen beliebige Übersetzungsverhältnisse zwi­ schen dem Winkel der Antriebswelle und demjenigen der Abtriebswelle über einen großen Bereich von beispiels­ weise 1 : 1,5 bis 1 : 10 realisiert werden. Die Auslegung kann sich dabei sowohl nach einem für die Antriebswelle vorgegebenen Schwenkwinkelwert als auch nach einem auf der Abtriebsseite erforderlichen Schwenk- oder Schaltwin­ kelwert richten.

Der Winkel, den die beiden Arme des auf der Antriebswel­ le sitzenden Hebels miteinander einschließen, ist umso kleiner, je größer der Abstand ist, den die Antriebswel­ le und die Abtriebswelle voneinander haben, da der Ab­ stand der beiden Mitnehmer konstant und gleich der Länge der Sehne ist, die die Punkte verbindet, an denen die beiden Mitnehmer jeweils gleichzeitig auf den beiden zueinander symmetrischen Kurven aufliegen.

Die im Anspruch 2 angegebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß das Getriebe, von der Abtriebsseite her ge­ sehen, selbsthemmend ist. Außerdem kann durch die Länge der Endabschnitte der beiden Kurvenbahnen die Größe eines etwa erforderlichen Vorlauf- und Nachlaufwinkels festgelegt werden.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 stellt einen vor­ teilhaften Kompromiß zwischen dem antriebsseitig aufzu­ bringenden Drehmoment und dem Platzbedarf des Getriebes dar, da die Antriebswelle und deren Antrieb im wesentli­ chen noch innerhalb der projizierten Fläche der Mitneh­ merscheibe untergebracht werden können.

Der Anspruch 4 hat eine reibungs- und verschleißarme Ausführungsform zum Gegenstand.

Das hier vorgeschlagene Getriebe eignet sich sowohl für rotierende als auch für hin- und hergehende Antriebe. Entsprechende Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben.

Das Getriebe nach der Erfindung ist in beispielhaft gewählten Ausführungsformen schematisch vereinfacht in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer ersten Ausführungsform mit rotierendem Antrieb, für einen ab­ triebsseitigen Schaltwinkel von 90°,

Fig. 2 die gleiche Ausführungsform, je­ doch mit einem Klappankerantrieb,

Fig. 3a bis 3c die Anfangs-, die Mittel- und die End­ stellung der Mitnehmerscheibe der Aus­ führungsformen nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4a bis 4c die entsprechenden Stellungen der Mitnehmerscheibe einer zweiten Ausführungsform, für einen abtriebs­ seitigen Schaltwinkel von 120°.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Getriebe umfaßt eine Antriebswelle 1, die einen gleichschenkeligen Hebel 2 trägt, dessen Arme 2a und 2b miteinander einen Winkel von ca. 90° einschließen. An den Enden der Arme 2a, 2b sitzen Zapfen 3a, 3b, die Mitnehmer 4a, 4b in Form von kugelgelagerten Rollen tragen. Die Mitnehmer 4a, 4b lie­ gen auf Kurvenbahnen 5a, 5b auf, die spiegelsymmetrisch am Umfang einer Mitnehmerscheibe 5 ausgebildet sind und miteinander im wesentlichen einen Dreiviertelkreis er­ geben. Die Mitnehmerscheibe 5 ist drehfest mit einer Abtriebswelle 6 verbunden. Diese verläuft parallelver­ setzt zu der Antriebswelle 1, die ihrerseits über ein beliebiges Antriebsorgan um einen Winkel α zwischen zwei Endlagen hin- und hergeschwenkt werden kann. Gemäß Fig. 1 ist hierzu mit der Antriebswelle 1 ein Gabelhebel 7 drehfest verbunden, der über einen einfachen Exzenter­ antrieb, bestehend aus einem Elektromotor 10, einem Un­ tersetzungsgetriebe 11 und einem Exzenterhebel 12, ange­ trieben wird. Der am Ende des Exzenterhebels 12 sitzende Zapfen beschreibt dann, bezogen auf die Antriebswelle 1, eine Epizykloide entsprechend dem gestrichelt gezeichne­ ten Drehkreis 13, bewirkt also das Schwenken des Hebels 7 zwischen den zwei durch die strichpunktierten Linien 14a und 14b symbolisierten Endlagen, mit einem Maximum der Winkelgeschwindigkeit des Hebels 7 in dessen Mittel­ stellung.

Ein anderer Antrieb, nämlich ein Klappankerantrieb, ist in Fig. 2 veranschaulicht. Er besteht aus einem stabför­ migen Permanentmagnet 27, der an seinem oberen Ende drehfest mit der Antriebswelle 1 verbunden ist und des­ sen unteres, freies Ende um den Winkel α zwischen den Polschuhen 15a, 16a von zwei Elektromagneten 15, 16 durch abwechselnde Erregung derselben hin- und her­ schwenkbar ist. Aufgrund der bekannten, quadratischen Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke von der Entfer­ nung ist dabei das Drehmoment der Antriebswelle zu Be­ ginn und am Ende des Schwenkwinkels am größten, in der Mittelstellung am kleinsten. Der Winkel α ist in den Ausführungsbeispielen mit etwa 30° gewählt. Der Drehwin­ kel der Abtriebswelle 6, der in den Fig. 1 bis 3 mit 90° gewählt ist, hängt nur von der Länge der Kurvenbahnen 5a und 5b ab.

Die Fig. 3a bis 3c zeigen in einer Aufsicht die An­ fangs-, die Mittel- und die Endstellung der Mitnehmer­ scheibe 5 des Getriebes nach den Fig. 1 und 2. Gezeich­ net sind lediglich die für das Verständnis wesentlichen Teile des Getriebes; die Antriebswelle 1 und die Ab­ triebswelle 6 sind nur symbolisch dargestellt. Fig. 3a zeigt die eine Endstellung, Fig. 3c die andere Endstel­ lung. Man erkennt, daß in der Mittelstellung gemäß Fig. 3b die Mittelsenkrechte m auf die die beiden Mitnehmer 4a und 4b verbindende Sehne s durch die jenseits dieser Sehne s liegende Achse der Abtriebswelle 6 verläuft. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Kurvenbahnen 5a und 5b spiegelsymmetrisch zu der Mittelsenkrechten m sind. Aus Fig. 3b geht auch hervor, daß die Endabschnitte 51a und 51b der Kurvenbahnen 5a und 5b etwa radial auf den Mittelpunkt der Abtriebswelle 6 zu verlaufen. Dies hat zur Folge, daß in jeder der beiden Endstellungen eine Verrastung eintritt, die nur von der Antriebsseite her, nicht jedoch von der Abtriebseite her wieder lösbar ist. Die Länge dieser Endabschnitte bestimmt außerdem den Vorlauf- und den Nachlaufwinkel der Antriebswelle 1 im Verhältnis zu dem Drehwinkel der Abtriebswelle 6.

Die Kurvenbahnen 5a und 5b folgen mit sehr guter Nähe­ rung Kreissegmenten, die miteinander im Ausführungsbei­ spiel etwa einen Dreiviertelkreis bilden, dessen Mittel­ punkt in der Mittelstellung der Mitnehmerscheibe 5 auf der oben erwähnten Mittelsenkrechten m liegt. Der Ort dieses Kreismittelpunktes auf der Mittelsenkrechten m ändert sich für Winkelübersetzungsverhältnisse von ca. 1 : 1,5 bis ca. 1 : 8 nur sehr wenig. Hingegen hängt der Winkel zwischen den Hebelarmen 2a und 2b (vergl. Fig. 1 und 2) von dem Abstand zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle ab, da die Länge der Sehne s bei gegebener Form der Mitnehmerscheibe 5 konstant ist. Bei dem den Ausführungsbeispielen zugrundeliegenden Winkel von 90° ergibt sich wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, bereits eine verhältnismäßig kompakte Bauweise.

Für den abtriebsseitig erzielbaren Drehwinkel, genauer gesagt für das Winkelübersetzungsverhältnis, kommt es nicht auf den Abstand zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 6 an. Vielmehr ist das Winkelüberset­ zungsverhältnis allein von der Bogenlänge der symmetri­ schen Kurvenbahnen 5a, 5b abhängig.

Dies verdeutlichen die Fig. 4a bis 4c, die die Mit­ nehmerscheibe einer zweiten Ausführungsform in der An­ fangs-, der Mittel- und der Endstellung zeigen. Bei die­ ser Ausführungsform beträgt der abtriebsseitige Drehwin­ kel 120°, bei einem antriebsseitigen Drehwinkel von un­ verändert ca. 30°. Der Abstand der Antriebswelle 1 von der Abtriebswelle 6 ist auch hier so gewählt, daß die Verbindungslinien zwischen der Antriebswelle 1 und dem Mitnehmer 4a bzw. dem Mitnehmer 4b (entsprechend den Armen 2a, 2b des Hebels 2 in Fig. 1) miteinander einen Winkel von 90° einschließen. Wie insbesondere aus Fig. 4b ersichtlich ist, liegt dann die Antriebswelle 1 im wesentlichen noch innerhalb des projizierten Umrisses der Mitnehmerscheibe 5, so daß diese Ausführungsform - unabhängig von dem Winkelübersetzungsverhältnis - einen optimalen Kompromiß zwischen dem Platzbedarf des Getrie­ bes und dem eingangsseitig aufzubringenden Drehmoment darstellt.

Claims (6)

1. Getriebe zur Übersetzung des Drehwinkels einer An­ triebswelle in einen vergrößerten Drehwinkel einer Abtriebswelle, insbesondere für einen elektromagneti­ schen Antrieb für HF-Schalter, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• 1.1 die Antriebswelle (1) und die Abtriebswelle (6) sind parallelachsig;
• 1.2 die Antriebswelle (1) trägt rechtwinklig zu ihrer Achse einen gleichschenkeligen, zweiarmi­ gen Hebel (2), dessen Arme (2a, 2b) einen Winkel von 180° einschließen;
• 1.3 an jedem Hebelende sitzt ein Mitnehmer (4a, 4b);
• 1.4 die Antriebswelle (1) ist um einen festen Drehwinkel α 90° zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegbar;
• 1.5 in der Mittelstellung der Antriebswelle (1) verläuft die Mittelsenkrechte (m) auf die Ver­ bindungslinie (s) der beiden Mitnehmer (4a, 4b) durch die jenseits dieser Verbindungslinie (s) liegende Achse der Abtriebswelle (6);
• 1.6 die Abtriebswelle (6) trägt eine Mitnehmer­ scheibe (5);
• 1.7 zwei Umfangsabschnitte der Mitnehmerscheibe (5) sind als zueinander spiegelsymmetrische Kurven­ bahnen (5a, 5b) für die Mitnehmer ausgebildet, wobei die Symmetrielinie in der Mittelstellung der Antriebswelle mit der Verbindungslinie (m) der Achsen der Antriebswelle (1) und der Ab­ triebswelle (6) zusammenfällt;
• 1.8 die Kurvenbahnen (5a, 5b) entsprechend zumin­ dest in wesentlichen Kreissegmenten, deren Krüm­ mungsmittelpunkt auf der Symmetrielinie liegt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte (51a, 51b) der beiden Kurvenbahnen (5a, 5b) zur Erzielung einer Rückwärtsverrastung eine kurze Strecke radial auf die Achse der Abtriebswelle (6) zu verlaufen.

3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Arme (2a, 2b) des zweiarmigen Hebels (2) einen Winkel von etwa 90° einschließen.

4. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmer (4a, 4b) aus ku­ gelgelagerten Rollen bestehen, die auf parallel zu der Antriebswelle (1) orientierten, an den Enden der Arme (2a, 2b) des zweiarmigen Hebels (2) befestigten Zapfen (3a, 3b) sitzen.

5. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Antriebswelle 1 ein Ga­ belhebel (7) drehfest verbunden ist, der über einen Exzenterantrieb, bestehend aus einem Elektromotor (10), einem Untersetzungsgetriebe (11) und einem Ex­ zenterhebel (12), antreibbar ist.

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (1) mit dem einen Ende eines stabförmigen Permanentmagneten (27) drehfest verbunden ist, dessen anderes, freies Ende um einen festen Winkel (α) zwischen den Polschuhen (15a, 16a) von zwei Elektromagneten (15, 16) durch abwechselnde Erregung derselben hin- und herschwenk­ bar ist.