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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit
beim Schalten eines Schalters mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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Bei
vielen Schaltern wird eine hohe Geschwindigkeit verlangt, mit der
ein bewegliches Schaltstück
von einer ersten Stellung (bzw. Schaltstellung), beispielsweise
einer Ruhestellung, in eine zweite Schaltstellung gelangt, in der
eine elektrische Verbindung durchgeschaltet wird. Dies ist beispielsweise
der Fall, wenn hohe Ströme,
insbesondere unter hohen Spannungen, geschaltet werden sollen, da nur
bei einem schnellen Schaltvorgang die das Schaltmaterial korrodierenden
Lichtbögen
in Grenzen gehalten werden können.
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Es
sind daher eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, den Schalt-
bzw. Umschaltvorgang zwischen zwei Schaltstellungen zu beschleunigen. Ein
anderes Anwendungsgebiet für
die Verwendung schnellschaltender Schalter stellen die Leuchten
von Kraftfahrzeugen dar, wo die Umschaltung von Fernlicht auf Abblendlicht
und umgekehrt sehr schnell gehen soll (unter 100 ms), um einen sogen. "black out" zu vermeiden, in
der das an die Helligkeit des Scheinwerfers adaptierte Auge des
Fahrers die Umgebung nicht mehr zu erkennen vermag.
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Um
die Schaltgeschwindigkeit eines manuell geschalteten Schalters zu
erhöhen,
ist es bekannt, eine Feder einzusetzen, die der manuellen Schaltbewegung
der Bedienungsperson einen wachsenden Widerstand entgegensetzt,
welcher nach Überschreiten
eines Auslösepunktes
schlagartig nachlässt,
so dass es durch den Wegfall des Widerstandes zu einer großen plötzlichen
Beschleunigung des Betätigungsgliedes
kommt. Wie aus der
DE
30 31 005 A1 hervorgeht, lässt sich dabei aber gleichwohl
die Schaltgeschwindigkeit noch dadurch beeinflussen, dass die Bedienungsperson
im Bereich des Auslösepunktes
eine besonders langsame Betätigungsbewegung
durchführt.
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Ebenso
kritisch ist der Vorgang, dass ein Schalter sich so weit betätigen lässt, dass
er zwar die Beleuchtung einer ersten Art (z.B. Fernlicht) ausschalten
kann, bei der Einschaltung einer Beleuchtung zweiter Art (z.B. Standlicht)
aber blockiert ist und die Beleuchtung auf diese Weise für längere Zeit
ausgeschaltet wird ("black-out").
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Aus
der
DE 36 26 241 C2 ist
ein Lichtschalter für
Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem zur Fernlicht-Abblendlicht-Umschaltung ein Schrittschaltwerk
und zur Betätigung
der Lichthupe ein Schnappschalter verwendet wird, wobei das Schrittschaltwerk
und der Schnappschalter gemeinsam über einen vom Schalthebel verstellbaren
Schaltstößel ansteuerbar
sind. Damit wird ein Lenkstockschalter mit kleiner Bauform geschaffen,
jedoch wird kein Beitrag zu einem beschleunigten Schalten geleistet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, welche in ihrer
Schaltgeschwindigkeit weitgehend unabhängig von der Betätigungsgeschwindigkeit
der Bedienungsperson ist, wobei der Schaltvorgang besonders schnell
erfolgen soll.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Einrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist.
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Die
Erfindung besteht im Prinzip also darin, nicht nur wie bei dem durch
Federn vorspannbaren Rastschaltern eine erste Feder beim Schaltvorgang vorzuspannen,
die aufgrund der Verringerung des Schaltwiderstandes und ggf. einer
Richtungsumkehr der Wirkungskraft der Feder auf das Schaltstück eine große Schaltgeschwindigkeit
zu erreichen. Vielmehr wird zusätzlich
gemäß der Erfindung
beim Beginn der Schaltbetätigung
eine zweite Feder verformt, so dass sich ein von der Betätigungsbewegung
der Bedienungsperson unabhängiger
Schaltweg ergibt, den die erste Feder zurückzulegen vermag, sobald die zweite
Feder auslöst.
Damit ist ein Umschaltvorgang auch dann möglich, wenn die Bedienungsperson
theoretisch in der Lage wäre,
am Auslösepunkt
des zweiten Schalters das Betätigungsglied
festzuhalten. In diesem Falle würde
bei arretiertem Betätigungsglied
die erste Feder mit der zweiten Feder gemeinsam die Antriebseinrichtung
antreiben, welche dann wiederum das bewegliche Schaltstück betätigt.
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Man
kann somit die zweite Feder auch als Energiespeicher bzw. Wegspeicher
bezeichnen, welche neben der für
den Schaltvorgang notwendigen Kraft auch den dazugehörigen Weg
speichert. Durch die Erfindung werden Umschaltgeschwindigkeiten bis
zu 10 ms erreicht.
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Der
Nocken kann in Abhängigkeit
von dem vorangegangenen Schaltzustand sowohl ein Vorstellen als
auch ein Zurückstellen
der Antriebseinrichtung bewirken. Danach lässt sich die Hubbewegung des
Betätigungsgliedes
in eine Vorwärts-
bzw. Rückwärtsdrehbewegung
der Antriebseinrichtung umwandeln, wobei die beiden Bewegungsrichtungen
bei aufeinanderfolgenden Hubbewegungen sich abwechseln.
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Während es
für die
Arbeitsweise der Erfindung genügt,
dass hinsichtlich des Schaltpunktes schließlich ein Zustand erreicht
wird, bei dem die in der zweiten Feder gespeicherte Kraft die Widerstandswirkung
der ersten Feder überwindet,
erhält man
eine erheblich größere Beschleunigung
bei Anwendung der Merkmale nach Anspruch 2. Danach arbeitet die
erste Feder ständig
in der gewünschten
Antriebsrichtung, während
die zweite Feder nach Überschreiten
des Schaltpunktes hinsichtlich der Antriebseinrichtung die Kraftrichtung
wechselt, so dass nunmehr beide Federn gleichsinnig wirken.
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Für die Arbeitsweise
der Erfindung ist die Merkmalskombination nach Anspruch 3 besonders zweckmäßig. Nachteilig
kann allerdings sein, dass der gespeicherte Schaltweg zu gering
werden kann. In diesem Falle empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung
die Merkmalskombination nach Anspruch 12. Dana lässt sich ein vergleichsweise
großer Schaltweg
speichern, der schließlich
dadurch begrenzt wird, dass das Betätigungsglied über einen Anschlag
direkt an der Antriebseinrichtung angreift. Nach der Überwindung
des Auslösepunktes
an der ersten Feder treiben dann beide Federn gemeinsam, auch bei
stillstehendem Betätigungsglied,
die Antriebseinrichtung an. Eine einfache Konstruktion der erfindungsgemäßen Einrichtung
erhält
man durch die Merkmale nach Anspruch 5.
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Unabhängig, ob
nun die zweite Feder eine vergleichsweise zur ersten Feder relativ
große
Federkonstante oder eine vergleichsweise kleine Federkonstante besitzt,
empfehlen sich in Weiterbildung der Erfindung die Maßnahmen
nach Anspruch 6. Danach ist die zweite Feder aus einer Blattfeder gefertigt,
die an dem Rücken
eines Nockens angreift. Im Betätigungsfall
wirkt die Blattfeder auf den Nocken ein und wird dabei im Sinne
einer Wegspeicherung ausgelenkt, wobei gleichzeitig auch noch eine
Kraftspeicherung stattfindet.
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Um
eine Zentrierung des Nocken zu erreichen, empfiehlt sich in Weiterbildung
der Erfindung die Maßnahme
nach Anspruch 7. Damit sorgt die Blattfeder nicht nur für Kraftspeicherung
und Wegespeicherung, sondern auch für eine Rückstellung des Nockens in seine
Ausgangslage, aus der er bei einer Hubbewegung je nach Stellung
der Antriebseinrichtung diese in die eine oder die andere Richtung
bewegen bzw. drehen kann.
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Die
Antriebseinrichtung kann zum einen sich in axialer Richtung vor-
und zurückbewegen,
indem beispielsweise Kontakte mit einer Schaltstange gekoppelt sind,
auf die die beiden Federn einwirken. Eine besonders einfache und
platzsparende Konstruktion ergibt sich allerdings durch die Verwendung der
Merkmale nach Anspruch 8, gemäss
der die beiden Steuerkurven an einem Schaltrad angreifen, das somit
einen wesentlichen Teil der Antriebseinrichtung für den beweglichen
Kontakt bildet. Somit führt
auch das bewegliche Schaltstück
eine gekrümmte
Bewegung, vorzugsweise Kreisbewegung, aus.
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Das
Betätigungsglied
kann wahlweise eine Drehbewegung ausführen, um über die zweite Feder das Schaltrad
anzutreiben. Bei eine bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäss Anspruch
9 ist das Betätigungsglied
ein axial verschiebbarer Schlitten, so dass die Erfindung auch bei
Betätigungsgliedern mit
schiebender Bewegung angewandt werden kann oder auch Schaltern,
die eine axiale Verschiebung des Betätigungsgliedes erlauben. Hierbei
kann es, sich gemäss
Anspruch 10 beispielweise um Lenkstockschalter handeln.
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Im
Rahmen der Erfindung kann auch der gespeicherte Weg bzw. die gespeicherte
Kraft durch einen die Auslenkung der zweiten Feder begrenzenden
Anschlag begrenzt werden, wie dies gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen
wird. Um die Zusammenwirkung der unter Toleranz hergestellten Bauelemente
zu erleichtern, empfiehlt sich die Merkmalskombination nach Anspruch
12. Danach legt das Schaltrad anfangs unter großer Kraft- und Wegspeicherung
nur einen geringen Weg zurück
(steiler Anstieg der Steuerkurve auf dem Kreisbogen), während nachfolgend in
dem flach ansteigenden Teil der Schalter ggf. unter Wirkung des
weiter oben beschriebenen Anschlages beschleunigt wird, bis er schließlich den
höchsten Punkt
des Sattels erreicht hat und schließlich unabhängig von der Bewegung des Betätigungsgliedes unter
großer
Geschwindigkeit selbsttätig
weiterläuft.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt
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1 eine
Draufsicht auf eine in einem Schalter eingebaute erfindungsgemäße Einrichtung und
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2–8 in
symbolischer Darstellung einzelne Zustände der Einrichtung bei einem
Schaltvorgang.
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1 zeigt
ein Gehäuse 7,
in dem verdeckt durch ein Schaltrad 3 kreisförmig Kontakte
auf einer Leiterplatte 8 angeordnet sind, die darüber hinaus noch
Leiterbahnen 9 trägt.
Das Schaltrad 3 ist gegenüber dem Gehäuse 7 über ein
Lager 10 drehbar gelagert und besitzt darüber hinaus
noch ein bewegliches Schaltstück 11,
welches sich mit dem Schaltrad 3 um das Lager 10 dreht.
Eine Drehbewegung des Schaltrades führt somit zum Schalten eines
Schalters. Erwünscht
ist dabei ein plötzliches
schnelles Drehen des Schaltrades, um den Umschaltvorgang soweit
wie möglich
zu beschleunigen. Um ein Drehen des Schaltrades zu ermöglichen,
dient ein Betätigungsglied 12,
welches in dem Gehäuse 7 über Gleitstücke 13, 14 in
Richtung des Pfeiles A auf Schienen 15, 16 verschiebbar
ist. Die direkt oder indirekt manuell auf das Betätigungsglied 12 ausgeübte Kraft
wird über
einen Nocken 2 und eine zweite Steuerkurve 5 auf
das Schaltrad 3 übertragen.
Dabei ist der Nocken 2 gegenüber dem Betätigungsglied drehbar und um einen
Betrag b verschiebbar mittels eines Lagerstiftes 17 gelagert,
wobei eine als Blattfeder ausgestaltete zweite Feder den Nocken 2 im
Ruhezustand im Anschlag an dem Lagerstift 17 hält. Dieser
Zustand ist in 1 dargestellt.
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Wird
nun das Betätigungsglied 12 in
Richtung A verschoben, so führt
gleichzeitig die Blattfeder 18 den Nocken 2 gegen
eine zweite Steuerkurve 5 an dem Schaltrad 3.
Dabei erreicht schließlich
die Spitze des Nockens 2 die zweite Schaltkurve 5 und
wird dabei in 1 nach rechts ausgelenkt, bis
die Spitze des Nockens den Haltepunkt 6 in der zweiten
Steuerkurve erreicht. Die gesamte von dem Nocken 2 ausgeübte Kraft
wird nunmehr auf das Schaltrad übertragen, welches
durch eine Rasthülse 4 mittels
einer ersten Feder 19 festgehalten wird. Da die in eine
erste Steuerkurve 20 eingreifende Rasthülse 4 durch die Feder 19 festgehalten
wird und die Feder 19 erheblich steifer ist als die Blattfeder 18,
wird die Blattfeder 18 mehr ausgelenkt als die erste Feder 19 zusammengedrückt wird.
Als Folge davon gleitet das Betätigungsglied 12 unter
den Nocken 2 hindurch, bis schließlich der Lagerstift 17 am
in 1 oberen Ende des Langlochs 22 angreift
und das Schaltrad 3 mitnimmt, soweit die Betätigungskraft
dafür ausreicht. Diese
muß nämlich so
groß sein,
daß die
Rasthülse 4 unter
Krafteinwirkung aus der Senke der Steuerkurve 20 herausgedrückt wird,
bis schließlich
die Spitze der Hülse 4 auf
dem Schaltpunkt 23 der Steuerkurve 20 sitzt.
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Während der
im Bereich des Schaltpunktes 23 (3) geringeren
Neigung der ersten Steuerkurve 20, beginnt das Schaltrad
sich zu beschleunigen, bis der Schaltpunkt 23 überwunden
ist. Danach kehrt sich die Kraftrichtung der Feder 19 hinsichtlich
der Bewegungsrichtung des Schaltrades um, so daß die Feder 19, die
entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtete Drehbewegung des Schaltrades 3 unterstützt. Die unter
Vorspannung der Blattfeder 18 stehende Schaltnocke 2 am
Anschlag 6 wirkt in der gleichen Richtung, so daß sich die
Wirkung der beiden Federn auf die Drehbewegung des Schaltrades 3 addiert.
Ein Festhalten des Schaltrades mit Hilfe des Betätigungsgliedes 12 ist
nun nicht mehr nötig,
da selbst bei einem stillstehenden Betätigungsglied die Nocke 12 den
Weg b zurücklegen
kann, ohne durch das Betätigungsglied
gehindert zu werden. Damit erfolgt die schaltende Drehbewegung des
Schalterrades 3 selbsttätig
und durch die Addition der beiden Federwirkungen sehr schnell.
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Ein
Zurückholen
des Betätigungsgliedes 12 in
den Ausgangsszustand erfolgt mit Hilfe der beiden Rückholfedern 24, 25.
Da aufgrund der Wirkung der Rasthülse das Schaltrad 3 nach
dem eben beschriebenen Schaltvorgang eine entgegen dem Uhrzeigersinn
verdrehte Lage einnimmt, wirkt dann die Nocke 2 bei dem
neuen Schaltvorgang auf die in 1 linke Senke
der zweiten Steuerkurve 5 ein, so daß bei dem neuen Schaltvorgang
das Steuerrad im Uhrzeigersinn zurück in die in 1 gezeigte
Lage gedreht wird.
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2 zeigt
die Nocke 2 in der zuletzt beschriebenen Ruhelage, in der
das Schaltrad 3 für
einen Schaltschritt im Uhrzeigersinn vorbereitet ist.
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3 zeigt
die Nocke im unter der Wirkung der Blattfeder 18 gegen
den Anschlag 6 eingefahrenen Zustand, wobei allerdings
die Lage des Lagerstiftes 17 gegenüber der Nocke 2 sich
noch nicht verändert
hat. Durch den Widerstand der Hülse
wandert der Lagerstift gegenüber
dem Langloch 22 nach rechts, bis er schließlich am
rechten Rand des Langlochs 2 anstößt (4). Die
Blattfeder 18 hat dabei ihre größte Auslenkung nach links erreicht.
In 5 beginnt der Stift 17 über die
Nocke 2 das Schaltrad 3 im Uhrzeigersinn zu drehen,
so daß die
Hülse auf
die Steuerkurve 20 ausweicht und die nicht dargestellte erste
Feder 19 (1) etwas zusammengedrückt wird.
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In 6 ist
die Drehbewegung des Schaltrades so weit fortgeschritten, daß die Rasthülse 4 kurz vor
dem Schaltpunkt 23 der Steuerkurve 20 steht. Der
Widerstand der Rasthülse 4 gegenüber der Drehbewegung
des Schalterrades 3 verringert sich dadurch stark und das
Schaltrad wird erheblich beschleunigt, wobei es in 7 kurz
vor dem Schaltpunkt 23 steht, den es in 8 gerade überschreitet. Danach
wird die Drehbewegung des Schaltrades im Uhrzeigersinn sowohl durch
die Blattfeder 18, als auch die Rasthülse 4 unterstützt, so
daß der
Schaltvorgang schnell zu Ende gebracht wird, wobei dann schließlich die
Schalthülse 4 die
in 1 gezeigte Lage einnimmt. Wird die Betätigungskraft
auf das Betätigungsglied 12 beendet,
fährt das
Betätigungsglied 12 unter
der Wirkung der Federn 24, 25 (1)
zurück,
wobei die Blattfeder 18 die Nocke 2 in die in 2 gezeigte
Ausgangslage fährt.
Hierzu ist noch wichtig, die Ausgestaltung der Rückenfläche 26 des Rückens 27 der
Nocke 2, die im wesentlichen eben ist. Dabei ist die Fläche so gestaltet,
daß im
ausgelenkten Zustand der Anlagepunkt 28 der Nocke 2 an der
Blattfeder 18 gegenüber
dem Schnittpunkt der Achse 29 durch die Blattfeder 18 verschoben
ist. Hierdurch entsteht ein Drehmoment um die Längsachse des Lagerstifts 17,
welches die Nocke 2 in ihre Ruhestellung (siehe 2)
zurückdreht.