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Steuerung und Schalteinrichtung für ein fernbetätigtes, elektrisch
betriebenes Spielzeug Die Erfindung beschreibt eine Anordnung, die es gestattet,
die gleichzeitige, stufenlos und unabhängig voneinander regelbare Speisung von zwei
elektrischen Verbrauchern und die Impulse zur Auslösung bestimmter Schaltvorgänge
in einem elektrisch betriebenen Spielzeug über eine beliebig umpalbare Hin- und
Rückleitung zu übertragen. Es sind Schaltungen bekannt, bei denen die positive und
die negative Halbwelle eines Wechselstroms mit Hilfe einer Gleichrichteranordnung
getrennt geregelt und getrennt von zwei zu versorgenden Verbrauchern aufgenommen
werden. hTachteilig ist bei diesen Anordnungen, daß zwischen Steuergerät und Fahrspielzeug
keine Polvertauschung stattfinden darf, da die definierte Zuordnung jeder Halbwelle
zu den einzelnen Verbrauchern bewahrt bleiben muß. Eine Stromentnahme aus einer
für schienenlose Modelle geeigneten Kontaktunterlage wechselnden Potentials ist
also nicht möglich. Bei der im Zusammenwirken mit einer solchen Kontaktunterlage
sehr zweckmäßigen Verwendung besonderer mit Gleichrichtern arbeitender Sperrschaltungen
zur Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen einer Gruppe von Schleifkontakten bei
gleislosen Fahrspielzeugen, wie sie z. B. in der deutschen Patentschrift Bor 9o2
beschrieben ist, gehen dann die Regelkriterien für die nachgeschalteten Verbraucher
verloren.
In anderen bekannten Schaltungen für ferngesteuerte Fahrspielzeuge
sind neben der Regelung eines Verbrauchers, z. B. des Fahrmotors einer elektrischen
Lokomotive, zwei Zusatzverbraucher zu- und abschaltbar mittels vom normalen Betriebsstrom
abweichender, impulsähnlicher Stromstöße oder unter Ausnutzung der Verschiedenartigkeit
von Gleich- und Wechselstrom. Alle diese Anordnungen ermöglichen jedoch nur die
Regelung eines Verbrauchers und die davon und untereinander unabhängige Schaltung
von höchstens zwei Verbrauchern, wobei eine beliebige Umpolung der zweipoligen Zuleitung
nicht möglich ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht dagegen die stufenlose und
voneinander unabhängig regelbare Speisung von zwei elektrischen Verbrauchern nebst
der davon unabhängigen Schaltbarkeit eines Zusatzverbrauchers über eine beliebig
umpolbare, zweiadrige Zuleitung.
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Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Bekannten sind folgende.
Auf dem Anwendungsgebiet der frei beweglichen Fahrspielzeuge ermöglicht die Unempfindlichkeit
gegenüber Umpolung die Verwendung einer Kontaktunterlage beliebig wechselnden Potentials
in Verbindung mit einem Kurzschlußverriegelungssatz. Dabei können zwei Verbraucher,
bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Fahrmotor und Lenkmotor, unabhängig voneinander
geregelt und ein dritter Verbraucher, z. B. ein Umschalter für den Drehrichtungswechsel
des Fahrmotors, betätigt werden.
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Auf dem Anwendungsgebiet der schienengebundenen Fahrspielzeuge ermöglicht
die Unempfindlichkeit gegen Umpodung ohne jede Schwierigkeit das Befahren von Kehrschleifen,
Drehscheibenanlagen usw. in unsymmetrischen Zweileitersystemen, also ohne Mittelschiene,
z. B. in einem Zweischienen-Zweileitersystem, ohne daß die Zuordnung eines Steuerstroms
zu seinem ganz bestimmten Verbraucher verlorengeht. Das ist bei den bekannten Systemen
nicht möglich! Dabei können mit einem Zweileitersystem, wie oben gesagt, zwei unabhängig
voneinander kontinuierlich regelbare Speiseströme übertragen werden. Bei Verwendung
eines Dreileitersystems, also von zwei beliebig umpolbaren Stromkreisen (Mittel-
gegen rechteAußenschiene und Mittel- gegen linke Außenschiene) stehen vier voneinander
unabhängig kontinuierlich regelbare Speiseströme zur Verfügung. Selbstverständlich
kann auch eine Oberleitung hinzugezogen werden, die die Anzahl der Stromkreise entsprechend
erweitert. Die Steuerströme können neben der reinen Antriebsmotorspeisung z: B.
zum Betrieb von Fahrzeugkranen, Lade- und Hebeeinrichtungen, Transportbändern, Wagenkippvorrichtungen,
dem Senken und Ausfahren von Stromabnehmern, der Speisung unabhängiger Lichtkreise
usw. verwendet werden.
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Die Erfindung bedient sich zur Energieübertragung für mehrere unabhängig
voneinander regelbar zu speisende Verbraucher über eine Doppelleitung eines Stromgemischs,
bestehend aus einer Wechselstrom- und einer Gleichstromkomponente, derart, daß ein
pulsierender Gleichstrom ohne Richtungswechsel resultiert. Nachstehend wird die
Erfindung an Hand eines Anwendungsbeispiels für schienenlose Fahrspielzeuge beschrieben,
für die zwei unabhängige Speiseströme zur Sicherstellung der Grundfunktion unbedingt
erforderlich sind.
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DieSteuerung elektrisch betriebener, fernbetätigter Fahrspielzeuge,
die weder mit Schienen noch mit Hilfe anderer mechanischer Mittel geführt werden,
ist insofern gegenüber den Gleisfahrzeugen grundsätzlich schwieriger, als neben
der Antriebsmotorspeisung und -regelurig noch die Lenkung in der. betriebsmäßigen
Beherrschung des Fahrzeugs hinzukommt und bei Verzicht auf jegliche Drahtverbindungen
bzw. mehradriger Zuführungsleitungen die Strombeaufschlagung durch Verwendung bekannter
Potentialunterlagen und entsprechend ausgebildeter Schleifkontaktsysteme besondere
Schaltmaßnahmen erfordert. Angesichts der willkürlichen Relativbewegung des Fahrzeugs
zur Fahrfläche kann praktisch immer nur eine Zu- und eine Rückleitung - im elektrischen
Sinne - herausgegriffen werden.
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Es wird eine Ausführung eines Fahrspielzeugs angegeben, das unter
dem Einfluß eines einfachen elektrischen Plus-Minus-Potentials (zweiadrige Ersatzschaltung)
in allen seinen als schienenloses Fahrzeug notwendigen Operationsmöglichkeiten dem
Willen der bedienenden Person folgt. Das Fahrzeug kann in jeder gewünschten Geschwindigkeit
Kurven von beliebigem Krüinmungsradius durchfahren, es kann; an -beliebiger Stelle
anhalten und starten, kann wahlweise vor- und rückwärts fahren, auf engem Raum Wendungen
durchführen (Vor- und Zurückstoßen) u. dgl. Dazu ist die voneinander unabhängige
Übermittlung und Ausführungfolgender Kommandos notwendig, diie,.soweit es fahrtechnisch
zweckmäßig und sinnvoll erscheint, auch zugleich gegeben werden können, und zwar
r. das Einschalten des Antriebsmotors zur Vorwärtsfahrt und zur Rückwärtsfahrt,
2. die Regelung der Fahrgeschwindigkeit in der jeweils aufgenommenen Vor- oder Rückwärtsfahrt,
3. die stetige Einstellung der Lenkräder zur Geradeaus- oder Kurvenfahrt von beliebigem
Radius sowohl im Stand als auch in beliebig schneller Vorwärts- oder- Rückwärtsfahrt
durch stetiges Drehen eines Knopfes oder der Nachbildung eines Lenkrades, q.. das
beliebig starke Abbremsen des Fahrzeugs aus beliebiger Geschwindigkeit in beliebiger,
veränderbarer Fahrtrichtung bei Vor- und Rückwärtsfahrt.
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Die elektrische und mechanische Beeinflussung des Fahrzeugs ist folgende:
Sämtliche Betriebsströme und Kommandos werden erfindungsgemäß übertragen bzw. empfangen
durch ein Überlagerungsgemisch und dessen Aufteilung in seinen Gleich- und Wechselstromanteil
und durch ein Impulsrelais. Das Gesamtschaltbild des Wagens zeigt Abb. z. Das von
einem Steuergerät zu den Leitungen 12 und 13 gelieferte Stromgemisch wird auf eine
beliebige, lamellierte Fahrunterlage .gegeben.
Mehrere am Fahrzeug
angebrachte Stromabnehmer leiten das Stromgemisch über einen Kurzschlußverriegelungssatz
3 zu den Leitungen i und 2. Lamellierte Fahrunterlage, Stromabnehmeranordnung und
Kurzschlußverriegelungssatz sind bekannte Anordnungen und nur zum Zwecke der Verdeutlichung
der Unempfindlichkeit der Fahrzeugschaltung gegen Umpolung dargestellt. Diese Unempfindlichkeit
gegen Umpolung ist dadurch erreicht, daß, wie unten näher erläutert, das Stromgemisch
in der zweipoligen Zuleitung i2, 13 in jedem Betriebszustand seine Richtung nicht
ändert. Der Antriebsmotor 4 wird über die als Selbstinduktion wirkende Wicklung
des Relais 5 mit Gleichstrom gespeist, während der Wechselstromanteil des in seinem
Gesamtcharakter pulsierenden Gleichstroms über den Kondensator 6 den die Lenkung
betätigenden Motor 7 versorgt. Eine Ausführung des Steuergeräts zeigt die Abb. 2a.
Es enthält einen Transformator 8 zur Speisung der Anlage aus dem Netz. Sekundärseitig
erfolgt mit dem Gleichrichter 9 eine Halbweggleichrichtung des Stroms, der über
den Hauptschalter io und ii durch ein System-von Widerständen und Kondensatoren
zu den Anschlüssen 12 und 13 zur Fahrunterlage geführt wird. Die Wirkungsweise der
Schaltung soll unter gesonderter Betrachtung der positiven und negativen Halbwelle
der Netzwechselspannung beschrieben werden.
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Während der Zeit der positiven Halbwelle fließt der Strom in Durchlaßrichtung
durch den Gleichrichter 9 über den Hauptschalterkontakt i i zum Punkt 14, wo er
sich in Stellung a des Potentiometers 15 aufteilt, einmal zur Aufladung des Kondensators
16 und einmal in Richtung 13 zur Fahrunterlage. Dieser Stromteil fließt weiter durch
das Fahrzeug (Abb. i), zurück über die Leitung i2, über die Widerstandskette 17,
18, i9, den Druckknopfschalter 2o, den Hauptschalterkontakt io zum Transformator.
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In der negativen Halbwelle tritt eine Sperrung am Gleichrichter ein.
In Ermangelung eines anderen Wegs entlädt sich der Kondensator 16 über das Fahrzeug
auf dem vorstehend beschriebenen Wege, so daß die Zeitlücke in der Stromversorgung
während der negativen Halbwelle ausgefüllt wird. Somit fließt bei ausreichender
Größe von 16 praktisch reiner Gleichstrom über das Fahrzeug. Steht das Potentiometer
15 auf Stellung b, so ist der Kondensator 16 als Stromspeicher in obigem Sinne praktisch
ausgeschaltet, weil während der positiven Halbwelle der Strom wohl seinen Weg wieder
über das Fahrzeug nehmen, aber keine Aufladung von Kondensator 16 stattfinden kann.
Damit fällt während der negativen Halbwelle die Entladung über das Fahrzeug aus,
so daß es tatsächlich in dieser Zeit keinen Strom erhält.
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In Abb.2b sind die Stromdiagramme für die einzelnen Leitungen wiedergegeben.
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Für die Speiseleitung 14-13 ergibt sich in Stellung a des Potentiometers
i5 (Diagramm II) : praktisch Gleichstrom, in Stellung b (Diagramm III) ein Strom
der positiven Halbwellen des einweggleichgerichteten Wechselstroms, wie er auch
unmittelbar hinter dem Gleichrichter 9 (Diagramm I) auftritt. In der Leitung zum
Kondensator 16 fließt in Stellung a (Diagramm IV) ein Wechselstrom (Lade- und Entladestrom),
der gewissermaßen die abgefangene Pulsatiou darstellt, wie sie am Gleichrichter
9 auftritt. Dieser Wechselstrom nimmt in Stellung b je nach Größe des Endwiderstands
von Potentiometer 15 einten sehr kleinen bzw. den Wert o an.
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Entsprechend der beliebigen Stellung des Potentiometers 15 liegt an
der Versorgungsleitung i und 2 im Fahrzeug (Abb. i) eine Gleichspannung, die zwischen
einer weitgehend geglätteten (Potentiometerstellung a) bis zu einer rein pulsierenden
Form (Potentiometerstellung b) stufenlos verändert werden kann.
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Der in Reihe mit dem Lenkmotor liegende Kondensator 6 (Abb. i) sperrt
in Potentiometerstellunga die geglättete Gleichspannung gegen den Lenkmotor ab.
Tritt nach Eindrehen des Potentiometers 15 eine Pulsation auf, dann entstehen die
analogen periodischen Ladungen und Entladungen wie am Kondensator 16 (Abb. 2a),
die in ihrer Gesamtheit einen Wechselstrom über den Lenkmotor ergeben gemäß dem
Diagramm IV an der Zuleitung zum Kondensator 16 im Versorgungsgerät (Abb. 2b). Somit
regelt man mit dem Potentiometer 15 stufenlos die Drehzahl des Lenkmotors vom Stillstand
bis zum Maximum, wogegen die Drehzahl des Antriebsmotors 4 unbeeinflußt bleibt,
da sich seine Drehzahl nach dem Effektivwert des mehr oder weniger pulsierenden
Gleichstroms richtet. Dieser ändert sich jedoch mit der Regelung von 15 praktisch
nicht, da selbst in Nullstellung a des Potentiometers 15 der Kondensator 16 auch
bei enorm großer Kapazität keine dauernde Aufladung annehmen kann, die den EMK-mäßigen
Spannungsspitzen entspricht, da die Widerstände 17, 18, 19 und 21 eine plötzliche
Aufladung von 16 verhindern, mit anderen Worten,, der innere Widerstand der das
Fahrzeug über die Leitung 1-2 versorgenden Steuerschaltung ist so groß, daß der
Effektivwert des die Gesamtschaltung durchfließenden pulsierenden Gleichstroms durch
den inneren o'hmschen Widerstand festgelegt ist, ohne Einfluß der Größe der durch
den Zweig i 5 - i6 gebildeten wechselstrommäßigen Ableitung.
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Zum Zwecke der Beeinflussung des Antriebsmotors wird eine Änderung
des Effektivwertes des pulsierenden Gleichstroms durch die Regelung des Potentiometers
19 (Abb. 2 a) erreicht. Dabei bleibt jedoch die Pulsation, oder besser, der gerade
eingestellte Wechselstromteil für das Fahrzeug praktisch gleich, da dieser am Punkt
22 eine Parallelschaltung vorfindet, deren einer Zweig aus 17-18, Anteil von i9
und deren anderer Teil aus Kondensator 23-Widerstand 21, Anteil von i9 gebildet
wird, die seine Größe von der Stellung von i9 unabhängig macht. Grundsätzlich wird
der Wechselstrombedarf für den Lenkmotor genügend klein: gehalten, so daß es möglich
ist, die Vorderräder in
beide Lenkendstellungen zu bringen, auch
wenn -der Effektivwert des pulsierenden Gleichstroms in der gedrosselten Stellung
so gering ist, daß der Antriebsmotor die Fahrwiderstände nicht mehr zu überwinden
vermag. Somit läßt sich bei jeder Fahrgeschwindigkeit das Fahrzeug sicher lenken.
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Wird der Druckknopf 24 (Abb. 2 a) kurz betätigt, so wird Widerstand
i8 und der jeweilige Anteil von Widerstand i9 .überbrückt, und damit wird ein Stoß
erhöhter Spannung auf das Fahrzeug gegeben, so daß der Relaisanker 25 im Fahrzeug
(Abb. 3) anzieht. Dieser bleibt auf Grund des nunmehr geschlossenen Eisenwegs infolge
Fortfalls des Luftspaltes inAnzugstellung, auch wenn derDruckknopf 24 sofort wieder
losgelassen wird. Gleich nach Verlassen der Ruhelage gibt der Ankerkopf 26 den Kontakt
27 frei, der anlegt und den Antriebsmotor 4 über den Lampenshunt 28 kurzschließt
(Abb. i). Der Antrieb ist jetzt abgeschaltet. Die Stirnlampen 29 und die Schlußlampen
3o brennen weiter, und diie Lenkräder verändern ihre einmal eingenommene Stellung
nicht, da der reineWechselstromanteil nach wie vor seinen Weg über 6-7 nehmen kann.
Die Lenkung bleibt auch in dieser Haltestellung operationsfähig. So kann z. B. bei
Wendemanövern bereits im Stand gegengesteuert werden. Der Schaltstoß wirkt nicht
störend, da eine Ruckbewegung -des Fahrzeugs durch die sofortige Abschaltung des
Antriebsmotors vermieden. wird. Als besonderer Reiz wird in die Überbrückungsleitung
ein rotes, niedervoltiges durch 28 im Nebenschluß geschaltetes Stopplicht3i (Abb.
i) geschaltet. Ein kurzer Druck auf den Knopf 2o (Abb. 2 a) unterbricht den Strom
für einen Moment, so daß der Relaisanker durch die Feder 32 (Abb. 3) abhebt und
den Antriebsmotor wieder einschaltet. Das gewünschte Anzugsmoment kann bereits im
Stand durch das Potentiometer i9 (Abb. 2 a) eingestellt werden. Da der Anker augenblicklich
abhebt, kann die Unterbrechung so kurz gehalten werden, daß das entsprechend kurze
Verlöschen der Lampen kaum bemerkt wird. Die Lenkradstellung erfährt dabei keine
Veränderung.
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Der im Relaisjoch drehbar gelagerte, durch die Feder 33 in senkrechter
Stellung gehaltene Schaltstößel 34 (Abb. 3) drückt bei jedem Niedergang des Relaisankers
in eine Kerbe der Schaltwippe 35 und bewirkt damit eine Drehung derselben um einen
bestimmten Winkel, und zwar in wechselnder Richtung. So legt sich das Oberteil 36
der Wippe beim Zurückschnellen des Ankers einmal gegen den Stift des Wechselkontaktes
37 (Abb. i) und drückt ihn gegen die obere Feder, während beim nächsten Ankerrückgang
die Wippe nach Ausdrehen in die andere Richtung den Kontaktstift unberührt und somit
den Wechselkontakt in seiner durch Federdruck gehaltenen unteren Lage stehen läßt.
Da der Wechselkontakt 37, wie aus Abb. i ersichtlich, je nach seiner Stellung den
Motorstrom über eine der beiden getrennten Feldwicklungen - führt, deren Windungsrichtungen
entgegengesetzt sind, läuft das Fahrzeug nach jeder Abschaltung und Wiedereinschaltung
des Motors, also nach jeder Relaisbetätigung durch 24 und 2o (Abb. 2a) jeweils in
entgegengesetzter Richtung wieder an. Danach besteht die Tätigkeit des Umschaltens
in die andere Fahrtrichtung in je einem kurzen Druck auf die Knöpfe 24 und 2o. Werden
die beiden Impulse in rascher Folge unmittelbar hintereinander gegeben, so bremst
das Fahrzeug je nach der Stellung des Fahrreglers z9 (Abb. 2 a) mehr oder weniger
stark ab. Ist es zum Stehen gekommen, so kann durch abermaliges Drücken auf Knopf
24 der Motor abgeschaltet werden. Das Fahrzeug hält. Nach erneutem Druck auf Knopf
2o führt es in gleicher Richtung wieder an. Durch entsprechende Pausen zwischen
den einzelnen Betätigungen lassen sich Bremseffekte, beliebig. langes Halten, plötzlicher
Fahrtrichtungswechsel und dergleichen herstellen. Zur weiteren Belebung des Spiels
wird in Reihe mit der für die Rückwärtsfahrt bestimmten Feldwicklung des Antriebsmotors
ein Rückscheinwerfer 38 geschaltet (Abb. i), der zusätzlich bei Rückwärtsfahrt aufleuchtet
und in Vorwärtsfahrt verlischt.
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Der in Abb. i mit 7 bezeichnete Lenkmotor treibt einen Zentrifugalmechanismus,
der eine von der Drehzahl abhängige Kraftäußerung auf die Lenkräder überträgt. Auf
der vom Motor 7 (Abb. 4) angetriebenen Welle 39 sitzt fest verschraubt die Lagerplatte
40, die in einer Einschlitzung auf beiden Seiten je einen mit einem Fliehgewicht
41 versehenen Schubhebel 42 drehbar gelagert trägt. Der nasenförmig ausgebildete
Innenteil der Schubhebel 42 -drückt mit einer von der Wellendrehzahl abhängigen
Kraft gegen die auf der Welle verschiebbar gelagerte, über eine Schlitzführung der
Schubhebel 42 mitgenommene Schubplatte 43, die über ein Drucklager 44 die Kraft
weiter auf die Übertragungsmuffe 45 überträgt, gegen die über das. anderseitige
Drucklager 46 die mit Hi-Ife des Stellrings 47 verstellbare Feder 48 als Rückstellkraft
drückt zur Herstellung des für jede Wellendrehzahl resultierenden Kräftegleichgewichts.
Über die Schubstange 49, den Lenkhebel 5o (Abb. 4/I1)., die Spurs,tange 51 und die
Spurhebe1 52 sind die Räder 53 mit der drehzahlabhängigen- -axialen Lage der Übertragungsmuffe
45 gekuppelt. Dieser sehr fein reagierende Mechanismus ist andererseits genügend
starr und träge, um unempfindlich gegen kurze Stromunterbrechungen zu sein, wie
sie z. B. durch schlechte Kontaktgabe infolge Verschmutzung der Fährunterlage herbeigeführt
werden können,.
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Um die Fahrsicherheit des Fahrzeugs gegenüber Bodenunebenheiten und
sonstigen Fahrhindernissen zu erhöhen, kann der die Vorderräder tragende Teil 54
der Grundplatte gegenüber dem Hinterteil 55
eine kleine Drehung um den Bolzen
56 ausführen. Dadurch ist die Vierpunktauflage stets garantiert, d. h., alle vier
Räder bleiben bei Bodenunebenheiten belastet, und so kann es nie geschehen, daß
das antreibende Rad durchdreht. Durch die Anschlagplatte 57 wird der Verdrehungswinkel
der beiden Grundplattenteile gegeneinander auf einen kleinen, verstellbaren Betrag
begrenzt.
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Das Geräusch des auch bei stillstehendem Fahrzeug laufenden Lenkmotbrs
im Vorderteil vermittelt
die Illusion des ausgekuppelten im Leerlauf
befindlichen Antriebsmotors. Beim Anfahren des Wagens wird das zusätzliche Geräusch
des zweiten tatsächlich antreibenden Motors weniger getrennt empfunden, sondern
vielmehr als ein dem geforderten Anfahrdrehmoment entsprechend stärkeres Motorengeräusch.