-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feder-Antriebsmechanismus
für eine
Leistungsschaltvorrichtung, insbesondere für einen Leistungsschalter für mittlere
und hohe Spannung und im einzelnen auf einen Unterbrecher-Schalter, wobei dieser
Mechanismus umfasst:
- – eine Schaltfeder, die exzentrisch
mit einer Schaltwelle gekoppelt ist, welche frei um ihre Achse drehbar
ist, wobei die Feder so angeordnet ist, dass sie einerseits die
Schaltwelle in einer vorbestimmten Drehrichtung antreiben kann,
um ein Einschalten der Schaltvorrichtung zu bewerkstelligen, und
andererseits ein großes,
an der Schaltwelle angebrachtes Zahnrad sowie ein Zahnritzel, das
mit dem großen
Zahnrad in Eingriff steht und mit einem Antriebselement zum Antreiben
des großen
Zahnrads über
das Zahnritzel und die Schaltwelle in der vorbestimmten Richtung,
um die Schaltfeder in Hinblick auf das Einschalten der Schaltvorrichtung
unter Spannung zu setzen, wobei die Schaltwelle so angeordnet ist,
dass sie von einer Position, in der die Schaltfeder zumindest teilweise
entspannt ist, über
eine Totpunktposition, in der die Schaltfeder unter Spannung steht, hinausgeht,
- – einen
Klinkenmechanismus, der so angeordnet ist, dass er gegen das große Zahnrad
in einer Anlageposition, die über
die Totpunktposition in der vorbestimmten Drehrichtung hinausgeht,
anliegt, und dass die Schaltwelle für das Einschalten der Schaltvorrichtung
freigegeben wird,
- – eine
erste Ausnehmung, die am Umfang des großen Zahnrads eingebracht ist
und von einer Diskontinuität
in der Zahnung dieses großen Zahnrads
erzeugt wird, wobei dieses Ausnehmung in einer Zone der Verzahnung
angeordnet ist, die sich nahe dem Zahnritzel befindet, wenn die
Schaltwelle gegen den Klinkenmechanismus anliegt, und
- – Mittel
zum Verhindern der gegenseitigen Blockierung des großen Zahnrads
und des Zahnritzels nach der Freigabe der Schaltwelle durch den Klinkenmechanismus,
wobei diese Mittel umfassen:
eine Form der Zähne des
Zahnritzels, deren Flanken sich radial nach außen auf einem gemeinsamen Grat
verbinden und an der Angriffs- bzw. Anstiegsflanke eine Evolventenform
und an der entgegengesetzten Flanke eine Flankenebene aufweist,
die von dem Grat ausgeht und in Bezug auf eine durch das Mittel
des Zahns passierende radiale Gerade geneigt ist, und
eine
Form des Zahns des großen
Zahnrads, die sich nach der Ausnehmung in der vorbestimmten Richtung
präsentiert,
deren Flanken sich radial nach außen auf einem gemeinsamen Grat
verbinden, und die eine geneigte Ebene in ihrer oberen Zone angrenzend
an den Grat umfasst.
-
Die
unter der Nummer 0 651 409a1 veröffentlichte
europäische
Patentanmeldung beschreibt einen Mechanismus dieser Art. Bei dieser
Ausführung
sind alle Zähne
des Zahnritzels sowie der erste Zahn, der in der vorbestimmten Richtung
der von der Diskontinuität
der Verzahnung des großen
Zahnrads erzeugten Ausnehmung folgt, derart konfiguriert, dass ihre
Flanken zu demselben Grat hin konvergieren. Diese Maßnahme hat
den Zweck, eine Blockierung der Zahnräder zu verhindern. Es hat sich
jedoch herausgestellt, dass die Reibung eines Grats bzw. Kamms des
Zahnritzels an der Angriffs- bzw. Anstiegsflanke des ersten Zahns,
welcher der Ausnehmung des großen
Zahnrads folgt, mehr oder minder starke Leistungsverluste infolge
der Reibungen hervorruft. Diese Verluste, welche von der Position
des Zahnritzels abhängen,
haben Abweichungen der zum Auslösen
der Schaltvorrichtung erforderlichen Zeit zur Folge, sowie einen
nicht vernachlässigbaren Verschleiß des ersten
Zahns, welcher der Ausnehmung des großen Zahnrads folgt.
-
Wenn
der Mechanismus zur Steuerung eines Schalters verwendet wird, der
dazu bestimmt ist, eingeschaltet zu werden, um die Überspannungen
des Netzes auf synchrone Art mit der Spannung dieses Netzes zu reduzieren,
sind solche Schwankungen, die auf willkürliche Weise auftauchen, nicht
zulässig.
-
Das
europäische
Patent Nr. 0 294 561 A2 beschreibt einen Antriebsmechanismus von ähnlichem Typ,
der mit einem Trennschalter gekoppelt ist, und dessen erster Zahn
des großen
Zahnrads, der sich unmittelbar nach der Ausnehmung befindet, radial gegen
die Vorbelastung einer Druckfeder zurückziehbar ist. Wenn dieser
Zahn an dem Scheitel eines Zahns des Zahnritzels am Anfang des Eingriffsvorgangs
zur Anlage kommt, zieht er sich radial zurück, indem er die Feder, die
ihm zugeordnet ist, komprimiert. Aufgrunddessen kann dieser Zahn
gleiten bzw. sich verschieben, ohne eine Blockierung an dem Kamm
des entsprechenden Zahns des Zahnritzels hervorzurufen. Wenn er
diesen Kamm überschritten hat,
greift er in den Hohlraum, der dem Zahn des Zahnritzels folgt, ein.
Es besteht jedoch ein starkes Risiko, dass der zurückziehbare
Zahn das große Zahnrad
weiter durch Reibung antreibt, und zwar trotz seines progressiven
Rückzugs
ins Innere des Sitzes, welcher die Feder enthält. In diesem Fall kann der
zweite Zahn, der der in das große
Zahnrad eingebrachten Ausnehmung folgt und der nicht zurückziehbar
ist, gegen den Kamm eines Zahn des Zahnritzels zum Anschlag kommen
und das gesamt Triebwerk blockieren. Diese Wahrscheinlichkeit ist
hoch, da das Zahnritzel durch eine Koppelung mit Freilaufrad von
Antrieb entkoppelt ist und sich sehr leicht drehen kann.
-
Die
vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, alle diese Nachteile
zu beseitigen und die Risiken von Fehlfunktionen dieser bekannten
Mechanismen auszuschalten, indem eine wirksame, leicht zu realisierende,
kostengünstige
Lösung
geboten wird, die außerdem
durch eine geeignete Umformung an bereits in Betrieb befindlichen
Mechanismen dieser Art angepasst werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird erfüllt
durch den Mechanismus, wie er im Oberbegriff definiert ist, und
der dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Ausnehmung, die am Umfang
des großen
Zahnrads eingebracht ist, in der vorbestimmten Drehrichtung ein
erster Zahn folgt, der radial gegen die Spannung einer Druckfeder
zurückziehbar
ist, dass dem ersten zurückziehbaren
Zahn in der vorbestimmten Drehrichtung eine zweite Ausnehmung folgt, die
am Umfang dieses großen
Zahnrads eingebracht ist und die durch eine komplementäre Diskontinuität der Verzahnung
erzeugt ist, wobei diese zweite Ausnehmung sich mindestens über zwei
Zahnteilungen hinweg erstreckt, und dass der Zahn, der unmittelbar
der zweiten Ausnehmung folgt, ein zweiter Zahn ist, der gegen die
Spannung einer Druckfeder radial zurückziehbar ist.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erstreckt
sich die zweite Ausnehmung über
eine Länge,
die geringfügig
kleiner ist als eine ganze Zahl von Zahnteilungen, und der zweite
zurückziehbare
Zahn weist Flanken auf, die sich radial nach außen auf einem gemeinsamen Grat
verbinden und die eine Ebene umfassen, welche in ihrer oberen Zone
angrenzend an den Grat geneigt ist.
-
Auf
vorteilhafte Weise erstreckt sich die zweite Ausnehmung über eine
Länge,
die um etwa ein Sechstel einer Zahnteilung geringer ist als eine ganze
Zahl an Zahnteilungen, und vorzugsweise über eine Länge, die in etwa 2(5/6) Zahnteilungen
beträgt.
-
Auf
besonders vorteilhafte Weise folgt dem zweiten zurückziehbaren
Zahn in der vorbestimmten Drehrichtung eine dritte Ausnehmung, die
sich über mindestens
zwei Zahnteilungen erstreckt.
-
Bevorzugterweise
folgt der dritten Ausnehmung ein Zahn, dessen Flanken sich radial
nach außen
auf einem gemeinsamen Grat verbinden und der eine geneigte Ebene
in seiner oberen Zone angrenzend an den Grat bzw. Kamm aufweist.
-
Auf
allgemeinere Weise folgen der ersten Ausnehmung in der vorbestimmten
Drehrichtung n axial gegen die Vorspannung einer Feder zurückziehbare
Zähne,
wobei jedem dieser zurückziehbaren
Zähne in
der vorbestimmten Drehrichtung eine Ausnehmung folgt, die sich über mindestens
zwei Zahnteilungen erstreckt.
-
Bei
allen Ausführungsformen
haben die zurückziehbaren
Zähne und
der erste nicht-zurückziehbare
Zahn, welcher dem letzten zurückziehbaren Zahn
in der vorbestimmten Drehrichtung folgt, Flanken, die sich radial
nach außen
an einem gemeinsamen Grat verbinden und eine geneigte Ebene in ihrer oberen
Zone nahe dem Grat aufweisen.
-
Die
zurückziehbaren
Zähne sind
vorteilhafterweise von zwei benachbarten zurückziehbaren Zähne durch
eine Ausnehmung getrennt, die sich über eine Länge erstrecken, die geringfügig kleiner ist
als eine ganze Zahl von Zahnteilungen.
-
Die
vorliegende Erfindung ist besser aus der Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform und
den entsprechenden Zeichnungen verständlich, die als nicht-einschränkende Beispiele
gegeben werden und in denen zeigen:
-
1 eine
schematische Gesamtansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform
des Mechanismus gemäß der Erfindung
darstellt,
-
2 eine
Detailansicht, die spezifischer die zurückziehbaren Zähne des
großen
Zahnrads zeigt,
-
3A, 3B, 3C, 3D, 3F, 3G und 3H eine
Veranschaulichung der Kinematik des großen Zahnrads und des Zahnritzels
in der Zone, in der die zurückziehbaren
Zähne mit
den Zähnen
des Ritzels in Eingriff stehen, und zwar in dem Fall, in dem die
Zähne des
Ritzels und die des großen
Zahnrads nicht miteinander kollidieren, und
-
4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G und 4H eine
Veranschaulichung der Kinematik des großen Zahnrads und des Zahnritzels
in der Zone, in der die zurückziehbaren Zähne mit
den Ritzelzähnen
in Eingriff stehen, und zwar in dem Fall, in dem die Zähne des
Ritzels und die des großen
Rades miteinander kollidieren.
-
Gemäß 1 umfasst
der dargestellte Feder-Antriebsmechanismus 10, der zum
Koppeln einer Schaltvorrichtung bestimmt ist, eine Eingriffswelle 11,
die frei um ihre Achse 12 drehbar ist und einerseits ein
großes
Zahnrad 13 sowie andererseits einen Nocken 14 trägt, dessen
Funktion im folgenden erläutert
wird. Eine Eingriffsfeder 15, die von einer Zugfeder gebildet
wird, ist mit dem großen
Zahnrad 13 an einem Anlagepunkt 16 über eine
Kette 17 oder irgendein anderes geeignetes Mittel, welches über eine
Winkelumkehr-Riemenscheibe 18 im
dargestellten Beispiel verläuft, gekoppelt.
Das große
Zahnrad 13 steht in kämmendem
Eingriff mit einem Zahnritzel 19, das über einen Getriebezug 20 mit
einem Antriebsritzel 21 gekoppelt ist, welches mit einer
Ausgangswelle 22 eines Antriebsmotors 23 fest
verbunden ist.
-
Diese
Einheit von Komponenten des an sich bekannten und im Detail in der
europäischen
Patentanmeldung, veröffentlicht
unter der in der Beschreibungseinleitung zitierten Nummer 0 652
409, beschriebenen Mechanismus ist dazu bestimmt, sofern die Eingriffsfeder 15 betroffen
ist, die Eingriffswelle 11 in einer vorbestimmten Drehrichtung
A (siehe Pfeil A in 1) anzutreiben, um das Einschalten
der (nicht dargestellten) Schaltvorrichtung sicherzustellen, und was
den Antriebsmotor 23 betrifft, die Eingriffsfeder 15 so
vorzuspannen, dass sie gespannt ist und dazu bereit ist, ihre angesammelte
Energie freizugeben, um in jedem Moment das Einschalten der Schaltvorrichtung
zu gewährleisten.
Zu diesem Zweck übt beim
Einschalten der Vorrichtung die Eingriffsfeder 15 einen
Zug auf die Kette 17 aus und löst die Drehung des großen Zahnrads 13 in
der durch den Pfeil A angegebenen vorbestimmten Richtung aus, wobei der
Anlagepunkt 16 von einer Warteposition, die geringfügig stromab
des Totpunkts 16a liegt (in der vorbestimmten Drehrichtung
A des großen
Zahnrads) zu einer Endposition verläuft, die einem Entspannungspunkt 16b entspricht,
welcher dem Totpunkt 16a diametral entgegengesetzt ist.
Anschließend
kommt der Antriebsmotor 23 an die Reihe, um die Eingriffswelle 11 in
vorbestimmten Drehrichtung A anzutreiben. Diese Bewegung bzw. Verschiebung
wird bis zu dem Augenblick fortgesetzt, an dem der Anlagepunkt der Eingriffsfeder
von neuem den Totpunkt 16a geringfügig überschreitet, an dem die Feder
gespannt wird. Das Anhalten des großen Zahnrads in dieser Position erfolgt über einen
Klinkenmechanismus 24, der eine Klinke 25 umfasst,
welche von einem Elektromagneten 26 und einem Anschlag 27 betätigt wird,
der an einer der Seiten des großen
Zahnrads 13 angebracht ist und mit der Klinke 25 zusammenwirkt,
um dieses Rad in der gewünschten
Warteposition anzuhalten.
-
Übrigens
umfasst der Mechanismus 10 eine Hauptwelle 30, die
im einzelnen einen Betätigungshebel
eines (nicht dargestellten) Schaltelements der Schaltvorrichtung
trägt,
einen Kupplungshebel 32 dieser Welle mit einer Auslösefeder 33,
einen Rollenträgerhebel 34,
der eine Kurvenrolle 34a trägt, die mit dem Nocken 14 zusammenwirkt,
einen Blockierhebel 35, der mit einer von einem Elektromagneten 37 betätigten Klinke 36 zusammenwirkt,
sowie einen Bremshebel, der mit einer Bremse 38 gekoppelt
ist, die beispielsweise aus einem Ölkolben oder ähnlichem
gebildet ist. Die Auslösefeder 33 ist
vorzugsweise identisch oder ähnlich
der Eingriffsfeder 15 und ist mittels einer Kette 39,
welche von einer Winkelumkehr-Riemenscheibe 40 geführt wird,
mit dem Kupplungshebel 32 verbunden. Die Kurvenrolle 34a befindet
sich in Anlage gegen die an der Eingriffswelle 11 angebrachte
Nocke 14. Diese Nocke steuert die Bewegung des Hebels 34 zwischen
zwei Positionen 41a und 41b, die den Positionen
I bzw. O des Betätigungshebels 31 entsprechen.
Die Klinke 36 sorgt für die
Verriegelung des Blockierhebels 35 in einer Position, welche
der Position I des Betätigungshebels 31 entspricht.
-
Die 2 stellt
in vergrößertem Maßstab einen
Abschnitt des großen
Zahnrads 13 und des Zahnritzels 19 dar. Es ist
anzumerken, dass die Zähne 50 des
Zahnritzels 19 eine spezielle Geometrie aufweisen, die
einem zugespitzten Schnitt entsprechen. Die Flanken dieser Zähne verbinden
sich radial nach außen
an einem gemeinsamen Grat bzw. Kamm und weisen an der Angriffsflanke
bzw. Anstiegsflanke eine Evolventenform auf, und an der entgegengesetzten
Flanke eine Ebene, die von dem Kamm ausgeht und in Bezug auf eine
Gerade, die durch die Mitte des entsprechenden Zahns verläuft, geneigt
ist.
-
Das
große
Zahnrad 13 umfasst in der vorbestimmten Drehrichtung A
eine Diskontinuität
der Verzahnung 51, wobei diese Diskontinuität eine erste Ausnehmung 52a schafft,
die eine Zone ohne Zähne bildet.
Ein erster zurückziehbarer
Zahn 53a ist in dieser Ausnehmung angeordnet. Er ist mit
einer teilweise ausgehöhlten
Buchse bzw. Hülse 54a fest
verbunden, welche in einer im wesentlichen zylindrischen, in der
Dicke des großen
Zahnrads eingebrachten Ausnehmung 55a gelegen ist.
-
Eine
Druckfeder 56a ist in dem geschlossenen Raum angebracht,
der zwischen dem Hohlraum der ausgehöhlten Buchse 54a und
der Ausnehmung 55a des Zahnrads festgelegt ist, wobei diese
Feder dazu tendiert, den Zahn 53a radial vom Rad nach außen abzustoßen. Um
das Abstoßen
dieses Zahns zu verhindern und um seine Bahn bzw. seinen Weg nach
außen
zu beschränken,
ist eine Stoppplatte 57a an der Unterseite der ersten Ausnehmung 52a so
befestigt, dass sie teilweise die Ausnehmung 55a verstopft.
Diese Stoppplatte ist mittels mindestens einer und vorzugsweise
zwei Blockierschrauben 58a befestigt. Dank dieser Anordnung
kann sich der Zahn 53a teilweise ins Innere der Ausnehmung 55a entgegengesetzt
zu dem Druck, den die Druckfeder 56a ausübt, zurückziehen.
Auf diesen ersten zurückziehbaren
Zahn 53a folgend weist das große Zahnrad 13 eine
zweite Ausnehmung 52b auf, die durch eine komplementäre Diskontinuität der Verzahnung 51 dieses
Rads geschaffen wird. Diese zweite Ausnehmung erstreckt sich über mindestens
zwei Zahnteilungen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erstreckt
sich diese Ausnehmung über
eine Länge, die
geringfügig
kleiner als eine ganze Zahl von Zahnteilungen ist, und vorzugsweise über eine
ganze Zahl, beispielsweise drei Zahnteilungen weniger 1/6 einer
Zahnteilung.
-
Der
Zahn 53b der Verzahnung des großen Zahnrads, welcher der zweiten
Ausnehmung 52b folgt, ist ebenfalls unter dem Druck einer
Druckfeder 56b zurückziehbar.
Der Zahn 60, welcher dem zweiten zurückziehbaren Zahn 53b nach
einer dritten Ausnehmung 52c folgt, die sich über eine
Länge erstreckt,
die gleich einer ganzen Zahl von Zahnteilungen ist, umfasst ebenso
wie jeder der zurückziehbaren
Zähne Flanken,
die sich radial nach außen
an einem gemeinsamen Kamm bzw. einem gemeinsamen Grat verbinden.
Die der Angriffs- bzw. Anstiegsflanke entgegengesetzte Flanke stellt
eine geneigte Ebene in ihrem oberen Abschnitt angrenzend an den
Grat bzw. Kamm des Zahns dar. Auf allgemeine Weise können die
zwei zurückziehbaren
Zähne 53a und 53b in
Bezug auf andere Zähne 51 der
Verzahnung des großen
Zahnrads vorstehen, was den Vorteil hat, die Wahrscheinlichkeit
bzw. Möglichkeit
zu verringern, dass die Spitze der anderen Zähne mit der Spitze eines Zahns
des Ritzels 19 in Kontakt tritt.
-
Die 3A bis 3H stellen
dar, was geschieht, wenn zwischen den Zähnen 50 des Ritzels 19 und
den Zähnen
des großen
Zahnrads 13 keine Kollision stattfindet. Der Initialzeitpunkt
ist durch die 3A und 3B dargestellt,
wobei diese letztere Figur die Kontaktnahme eines Zahns des Ritzels 19 und
des ersten zurückziehbaren
Zahns 53a des großen
Zahnrads 13 darstellt. Die 3C und 3D zeigen
die Relativposition der Zähne
des Ritzels in Bezug auf in unterbrochenen Linien dargestellte fehlende
Zähne 51 des
großen
Zahnrads 13. Die 3E stellt
in unterbrochenen Linien die Ursprungsform eines Zahns 61 des
Ritzels 19 dar, der auf ungeeignete Weise geschnitten ist.
In dieser Figur ist festzustellen, dass bei Beibehaltung dieser
Form dies automatisch eine Kollision mit dem zweiten zurückziehbaren Zahn 53b des
großen
Zahnrads hervorrufen würde. Die
folgenden 3F, 3G und 3H stellen die
Relativpositionen der Zähne 50 des
Ritzels 19 sowie 53a, 53b und 60 des
großen
Zahnrads 13 dar.
-
Die 4A bis 4H stellen
dar, was geschieht, wenn die Spitze eines Zahns 50 des
Ritzels 19 auf die Spitze des zurückziehbaren Zahns 53a des
großen
Zahnrads 13 trifft. Der Initialzeitpunkt dieses Kontakts
zwischen den beiden Zähnen 50 und 53a ist
durch die 4B dargestellt. Der Kontakt
von Spitze zu Spitze löst
das Zurückziehen
des Zahns 53a aus. Während
der folgenden Bewegung weisen die Zähne des Ritzels und diejenigen
des großen Zahnrads
Relativpositionen auf, die durch die 4C und 4D dargestellt
sind. Die 4E stellt den Kontakt zwischen
einem der Zähne 50 des Ritzels 19 und
dem zweiten zurückziehbaren
Zahn 53b dar. Dieser Zahn zieht sich so zurück, wie
in 4F gezeigt ist, und dann erfolgt das Eingreifen der
beiden Zahnräder
normal, wie die 4G und 4H zeigen,
und zwar dank der Ausnehmungen 52a, 52b und 52c,
die zwischen den zurückziehbaren Zähne 53a, 53b und
anschließend
an den zweiten dieser Zähne
vorgesehen sind.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, welche
nur Konstruktionsbeispiele darstellen. Insbesondere ist die Anzahl
zurückziehbarer
Zähne nicht
auf zwei beschränkt,
sondern. kann sich bis zu drei oder n axial zurückziehbarne Zähnen in
Gegenreaktion gegen den Druck einer Druckfeder gehen, wobei jedem
dieser Zähne
eine Ausnehmung folgt, wie sie vorstehend definiert wurde.