Hebelanordnung zur Übertragung begrenzter Schwenkbewegungen

Die Erfindung befaßt sich mit einer gelenkigen Hebelanord­nung zur Übertragung begrenzter Schwenkbewegungen mit wechselnder Richtung, mit wenigstens einem Lagerbolzen und einem mit einer Lageröffnung für den Lagerbolzen versehenen Hebel.

Hebelanordnungen dieser Art sind Bestandteil vieler tech­nischer Geräte und werden beispielsweise in Niederspannungs-­Leistungsschaltern zur Kraftübertragung auf die Kontakt­glieder eingesetzt. Sofern die Kräfte gering sind, genügen Teile von einfachster Ausgestaltung, um den vorgesehenen Zweck zu erfüllen. Sind dagegen die Kräfte größer und werden die Bewegungen mit sehr hoher Beschleunigung ausgeführt, so ist mit erheblichen mechanischen Problemen zu rechnen. Es bereitet daher Schwierigkeiten, auch bei stabiler und sorg­fältiger Gestaltung der Teile den Verschleiß so gering zu halten, daß eine geforderte Anzahl von Arbeitsspielen mög­lich ist. Betroffen von diesem Problem sind beispielsweise in Niederspannungs-Leistungsschaltern etwa gemäß der US-A-3 301 984 oder 3 849 619 die Gelenkverbindung zwischen einem die Kraft eines Federspeichers übertragenden Schub­hebel, einem auf einer Schaltwelle sitzenden Treibhebel und einem die Bewegung auf eine Kontaktanordnung übertragenden Koppelorgan. An dieser Stelle wird nämlich bei mehrpoligen Leistungsschaltern nicht nur die zu dem einen Kontaktglied führende Betätigungsenergie weitergeleitet, sondern auch die Betätigungsenergie für weitere, mit der Schaltwelle verbundenen Kontaktgliedern.

An sich sind in der mechanischen Technik vielfältige Ge­staltungen und Bauelemente bekannt, die sich zur verschleiß­armen und reibungsarmen Übertragung großer Kräfte auch unter ungünstigen Bedingungen eignen. Jedoch erfordern derartig ausgestaltete Hebelanordnungen einen größeren Einbauraum, der angesichts des außerordentlich kompakten Aufbaus moderner Leistungsschalter nicht bereitgestellt werden kann. Auch eine Schmierung der Hebelanordnungen erweist sich als problematisch, weil die Schmiermittel aufgrund der kon­struktiven Gegebenheiten nicht zu der gewünschten Wirkung gebracht werden können. Wählt man nämlich ölige Schmier­mittel, so benetzen diese zwar aufgrund ihres Kriechver­haltens die Lagerflächen, schützen diese aber nur unzu­reichend aufgrund der begrenzten Zähigkeit und Belastbarkeit des Schmiermittels. Außerdem besteht wegen der ruckartigen Bewegungen mit hoher Beschleunigung, wie sie in Leistungs­schaltern auftreten, die Gefahr, daß ölige Schmiermittel von den zu schmierenden Teilen abgeschleudert werden und uner­wünschte Verschmutzungen im Inneren des Leistungsschalters hervorrufen. Wählt man dagegen Schmiermittel mit fettartiger Beschaffenheit, d. h . mit größerer Zähigkeit, so sind diese für nur wenige Arbeitsspiele wirksam, da dann das Schmier­mittel verdrängt und verbraucht ist und aufgrund seiner großen Zähigkeit nicht nachfließen kann.

Der Erfindung liegt ausgehend hiervon die Aufgabe zugrunde, eine Hebelanordnung der genannten Art trotz möglichst ein­facher Ausgestaltung ihrer zusammenwirkenden Teile so aus­zubilden, daß der Verschleiß wesentlich vermindert und die Anzahl der möglichen Arbeitsspiele dementsprechend erhöht ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß seitlich neben der Lageröffnung ein mit dem Lagerspalt zwischen dem Hebel und dem Lagerbolzen in Verbindung stehender Vorratsraum zur Auf­ nahme eines hochzähen Schmierstoffes angeordnet ist. Die seitliche Lage des Vorratsraumes kann dabei bezüglich der Schwenkachse der Anordnung sowohl radial als auch axial gewählt sein. Durch die Anbringung des Schmierstoffes in einem begrenzten Raum wird erreicht, daß der Schmierstoff durch die ruckartigen Beschleunigungen und Verzögerungen bei jedem Arbeitsspiel nicht frei entweichen kann, sondern vielmehr in den Lagerspalt auf derjenigen Seite gelangt, die bei der vorangegangenen Bewegung unbelastet war. Auf diese Weise steht nun der Schmierstoff dort bereit, wo er bei dem anschließenden Arbeitsspiel mit umgekehrter Bewegungsrichtung benötigt wird. Es hat sich erwiesen, daß Schmierstoffe mit so großer Zähigkeit verwendbar sind, daß sie bei normaler offener Anwendung zur Schmierung von Hebelanordnungen nicht geeignet wären. Aufgrund der neuen Anordnung gelangt jedoch der hochzähe Schmierstoff zur vollen Wirksamkeit und steigert die Lebensdauer von Hebelanordnungen der vorliegend be­trachteten Art wesentlich.

Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Bildung des Vorratsraumes besteht darin, eine den Lagerbolzen umgebende und an den Hebel angrenzende Buchse vorzusehen. Eine solche Buchse kann auch einfache Weise an dem Lagerbolzen abgestützt werden, in­dem die Bohrung der Buchse einen dem Durchmesser des Lager­bolzens angepaßten Teil sowie einen demgegenüber erweiterten Teil zur Aufnahme des Schmierstoffes erhält. In diesem Zu­sammenhang ist es vorteilhaft, die Buchse als Abstandsglied zwischen paarweise angeordneten Hebeln auszubilden. Hierbei erfüllt die Buchse eine doppelte Funktion, da sie einerseits die paarweise angeordneten Hebel gegeneinander abstützt und ihre Verkantung und Abstandänderung verhindert und dabei gleichzeitig den Schmiermittelvorrat aufnimmt.

Wie bereits erwähnt, treten die beschriebenen Schwierigkeiten beispielsweise bei Niederspannungs-Leistungsschaltern auf.

In solchen Geräten kann die Lebensdauer der am stärksten be­anspruchten Teile dadurch verbessert werden, daß der Lager­bolzen als Verbindungselement zur Kraftübertragung zwischen Zwei auf einer Schaltwelle sitzenden Treibhebeln, zwei durch einen Federspeicher beaufschlagten Traghebeln eines Schubhebels und einem mit einer Kontaktanordnung des Leistungsschalter verbundenen Koppelorgan ausgebildet ist und daß die Buchse entsprechend dem Abstand der Teilhebel bemessen und diese an den Treibhebeln anliegend angeordnet sind. An dieser Stelle wird die volle Antriebsenergie für alle Kontaktglieder des Schalters übertragen. Daher ist der Energiefluß an dieser Stelle bei einem drei- oder vier­poligen Schalter außerordentlich hoch. Mit Rücksicht auf den geringen zur Verfügung stehenden Raum ist es andererseits nicht möglich, wie eingangs erläutert, aufwendige Gelenk­kontruktionen mit großer Festigkeit und Haltbarkeit einzu­setzen. Vielmehr können nur einfach gestaltete Gelenkanord­nung eingesetzt werden, die glatte, zylindrische Bolzen und aus Stahlblech bestehende Laschen mit durch Stanzen oder Bohren hergestellten Lageröffnungen benutzt werden. Diese Lagerstelle erhält durch die Erfindung eine wesentlich gesteigerte Lebensdauer.

Wie bereits erwähnt, kann der Vorratsraum für das Schmier­mittel sowohl radial als auch axial neben dem Lagerspalt angeordnet sein. Eine radial seitliche Anordnung kann ins­besondere vorteilhaft durch eine in die Lageröffnung münden­de Bohrung verwirklicht werden. Eine solche Bohrung kann bei einem Hebel mit zwei Lageröffnungen so angeordnet sein, daß die beide Lageröffnungen verbindet. Damit wird beiden Lager­öffnungen bei abwechselnder Bewegung des Hebels in der Richtung der Verbindungslinie der Lageröffnungen Schmier­stoff zugeführt. Ein Hebel dieser Art ist ebenfalls für elektrische Leistungsschalter geeignet, insbesondere im Bereich der Antriebsteile.

Wie bereits erwähnt, eignet sich die neue Hebelanordnung insbesondere zur Anwendung bei Niederspannungs-Leistungs­schaltern in der Weise, daß die Buchse zwischen den Teil­hebeln eines Schubhebels angeordnet ist. Um hierbei die beste Wirksamkeit zu erzielen, ist es erwünscht, daß die Buchse an den Teilhebeln möglichst spielfrei anliegt. Dies kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch er­reicht werden, daß die Buchse aus zwei Teilstücken besteht, die jeweils einen an die Teilhebel angrenzenden Vorratsraum besitzen und daß die Gesamtlänge beider Teilstücke zwecks maßgerechter Anpassung an den Abstand der Teilhebel durch Zwischenlage von Scheiben geringer als der Abstand der Teilhebel bemessen ist. Hierbei sind gleiche Teilstücke zur Bildung der Buchse verwendbar.

Der Einbau der Buchse in die Hebelanordnung kann gegenüber der soeben geschilderten Ausführungsform noch dadurch er­leichtert werden, daß die Buchse aus zwei ineinandergreifend und relativ zueinander axial verschiebbaren Teilstücken zu­sammengesetzt ist und daß zwischen zwei einander gegenüber­stehend angeordneten Ringflächen der Teilstücke wenigstens ein axial wirkendes Federelement angeordnet ist. Eine solche Buchse verhält sich bei der Montage wie eine gewöhn­liche, einstückige Buchse, paßt sich jedoch aufgrund der Federung des Federelementes spielfrei an den Abstand der Teilhebel an.

Im wesentlichen die gleiche Eigenschaft der spielfreien An­passung der Abstand der Teilhebel kann auch durch eine weitere Ausführungsform der Buchse erreicht werden, die ein Innenteil mit einer etwa mittig am Umfang vorgesehenen Ein­drehung und ein über die eine Endfläche eines Innenteils der Buchse überstehendes Mantelteil besitzt, das einen radial bleibend deformierbaren Bereich besitzt. Ein solcher Be­reich kann beispielsweise durch am Umfang verteilt ange­ ordnete Ausnehmungen gebildet sein, durch die der Quer­schnitt des Mantelstückes verringert ist.

Etwa die gleichen Eigenschaften wie die erwähnte, mit einem Federelement ausgestattete Ausführung der Buchse ist dadurch zu erreichen, daß die Buchse bei einstückiger Herstellung aus einem Kunststoff einen etwa mittig angeordneten axial federnd deformierbaren Bereich besitzt. Dies ist in bekannter Weise gleichfalls durch einen Bereich mit verringertem Quer­schnitt zu erreichen, etwa in der Weise, daß zwei oder mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Arme als Verbindung der Endteile der Buchse gebildet werden. Zur Herstellung solcher Buchsen eignen sich insbesondere thermoplastische Kunststoffe.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

• Die Figur 1 zeigt einen Niederspannungs-Leistungsschalter in vereinfachter Darstellung im Schnitt.
• Die Figur 2 zeigt als Einzelheit eine Schaltwelle des Leistungsschalters gemäß der Figur 1 mit angrenzenden Teilen einer gelenkigen Hebelanordnung.
• Die Figur 3 zeigt eine Gelenkanordnung in vergrößerter Darstellung im Schnitt.
• In der Figur 4 ist eine Einzelheit eine Hebelgelenkes zur Erläuterung der Bewegung eines Schmierstoffes dargestellt.
• Die Figur 5 ist eine der Figur 3 entsprechende Darstellung mit einer ins zwei Teilstücke geteilten Buchse.
• In der Figur 6 ist als Einzelteil in einem Schnitt eine zweiteilige, mit einer Federung versehene Buchse gezeigt.
• Die Figur 7 zeigt gleichfalls als Einzelteil eine durch bleibende Verformung an den Abstand von Teilhebeln anpaß­bare Buchse.
• Die Figur 8 zeigt eine als einstückiges Kunststoffteil her­gestellte federnde Buchse. Der Schnitt IX-IX in Figur 8 ist in der Figur 9 gezeigt.

Der in der Figur 1 gezeigte Niederspannungs-Leistungsschalter 1 enthält eine Kontaktanordnung 2, deren beweglicher Teil 3 um ein ortsfestes Lager 4 schwenkbar ist. Die Kontaktan­ordnung 2 ist im geöffneten Zustand dargestellt; wird sie geschlossen, so wird eine geschlossene Strombahn gebildet, die sich von einem oberen Anschlußleiter 5 über ein fest­stehendes Schaltstück 6, ein an dem beweglichen Teil 3 der Kontaktanordnung befindliches Schaltstück 7 sowie ein biegsames Stromband 10 zu einem unteren Anschlußleiter 11 erstreckt. Unterhalb der an einem isolierenden Träger 12 angebrachten Kontaktanordnung 2 befindet sich ein Feder­speicher 13, der die Schaltenergie zum Einschalten des Leistungsschalters 1 bereitstellt. Mit Rücksicht darauf, daß Leistungsschalter dieser Art in der Regel mehrpolig, d. h. drei- oder vierpolig ausgebildet sind und daß beim Einschalten auf einen Kurzschluß starke abstoßende Kräfte überwunden werden müssen, ist der Energiebedarf des Leistungsschalters groß.

In der Figur 1 ist der Federspeicher 13 im gespannten Zu­stand gezeigt. In dem Federspeicher enthaltene Druckfedern 14 wirken über eine Schubstange 15 auf einen Mitnehmer 16, der mit einem unteren Kniehebel 17 einer mehrgliedrigen Hebelanordnung zusammenwirkt. Hierzu gehören ein an den Kniehebel 17 anschließender mittlerer Kniehebel 20 sowie ein als Schubhebel wirkender oberer Kniehebel 21, der mittels eines Lagerbolzens 22 mit einem Treibhebel 23 verbunden ist, der auf einer Schaltwelle 24 befestigt ist. Wie die Figur 2 zeigt, sind auf der Schaltwelle 24 drei Paare von Treibhebeln 23 angebracht, die zur Betätigung von drei nebeneinander angeordneten Kontaktanordnungen 2 vorge­sehen sind. Der Lagerbolzen 22 überträgt somit die gesamte zum Schalten benötigte mechanische Energie. Wie die Figur 2 ferner zeigt, wird der obere Kniehebel 21 durch Teilhebel 25 und 26 gebildet, die an den einander zugewandten Seiten zweier Treibhebel 23 anliegen. An den abgewandten Seiten der Treibhebel 23 liegen Koppelorgane 27 und 30 an, die zur Weiterleitung der Antriebsenergie zu der in der Figur 1 gezeigten mittleren Kontaktanordnung 3 dienen. Die nähere Ausgestaltung der Hebelanordnung im Bereich des Lagerbolzens 22 ist der Figur 3 zu entnehmen.

Wie die Figur 3 zeigt, befindet sich zwischen den Teilhebeln 25 und 26 des oberen Kniehebels 21 eine Buchse 31, deren Länge dem Abstand der Teilhebel 25 und 26 angepaßt ist und diese Hebel somit gegeneinander abstützt und deren Ver­kantung unter dem Einfluß der starken Kräfte verhindert. Die Testhebel 25 und 26 liegen ihrerseits an den Treib­hebeln 23 der Schaltwelle 24 an. Der mittlere Teil 32 der Buchse 31 ist dem Durchmesser des Lagerbolzens 22 angepaßt. Nahe den Enden ist der Innendurchmesser der Lagerbuchse 31 durch Ausdrehungen 33 zu jeweils einem als Vorratsraum dienenden einem Ringraum erweitert, in dem sich ein Schmier­stoff 34 mit möglichst hoher Zähigkeit befindet.

Bei der Freigabe des Federspeichers 13 mittels einer nicht dargestellten Einschaltverklinkung wird die anhand der Figur 1 erläuterte Kniehebelanordnung gestreckt, wodurch über den Lagerbolzen 22 die Schaltwelle 24 mit den darauf­sitzenden Treibhebeln 23 ruckartig geschwenkt wird. Der Schwenkwinkel ist hierbei verhältnismäßig gering und kann im Bereich von 50 bis 60° liegen. Die Teilhebel 25 und 26 liegen dabei mit ihren Lageröffnungen, von denen eine Lager­öffnung 35 in der Figur 4 gezeigt ist an der einen Seite des Lagerbolzens 22 an. Gelangt die Anordnung nun in ihre End­stellung, so unterliegt der Schmierstoff 34 aufgrund seiner Massenträgheit einer Beschleunigung, die ausreicht, die Zähigkeit des Schmierstoffes zu überwinden und ihn in den während der vorangegangenen Bewegung unbeansprucht ge­bliebenen Teil des Lagerspaltes zu fördern. Dies ist in der Figur 4 durch Pfeile 36 angedeutet. Auch kann eine durch die plötzliche Abbremsung der Teile verursachte Vibration oder Prellung dazu beitragen, den Schmierstoff in den Lager­spalt zu verteilen.

Beim Ausschalten wird die beschriebene Schwenkbewegung in der umgekehrten Richtung ausgeführt. Hierzu wird mittels einer Drucktaste 37 (Figur 1) die Ausschaltverklinkung ge­löst, wodurch in bekannter Weise der gestreckten Kniehebel­anordnung die Abstützung entzogen wird. Die Schaltwelle 24 mit den daraufsitzenden Treibhebel 23 schwenkt nun entgegen dem Uhrzeigersinn in die in der Figur 1 gezeigte Stellung zurück. Die Energie zur Durchführung dieser Bewegung liefern nun Federn, die in bekannter Weise Bestandteil der Kontakt­anordnungen 2 sind und die während der vorangegangenen Ein­schaltung des Leistungsschalters 1 gespannt wurden. Im Laufe dieser Ausschaltbewegung wird nun die gegenüberliegende Seite des Lagerbolzens 22 beansprucht, auf der jedoch zuvor in der erläuterten Weise aus den Ringräumen 33 der Buchse 31 abgelagert wurde. Hierdurch wird der Verschleiß in der er­wünschten Weise gering gehalten.

Wie man bei der Betrachtung der Anordnung gemäß den Figuren 3 und 4 erkennt, werden die hochbeanspruchten Flächen periodisch mit frischem Schmierstoff versorgt, da am Ende jedes Bewegungsvorganges eine zum Transport des Schmier­stoffes ausreichende Beschleunigung auftritt. Es sind daher Schmierstoffe mit hoher Zähigkeit anwendbar, die bei nor­maler Anwendung aufgrund ihres zu geringen Fließvermögens keine ausreichende Benetzung von Lagerflächen ergeben würden. Gerade solche Schmierstoffe sind jedoch gut ge­eignet Lagerflächen zu schützen, die bei geringer Relativ­bewegung einer großen spezifischen Beanspruchung ausgesetzt sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von Buchsen be­schrieben, die es gestatten, unabhängig von einer Toleranz des Abstandes der Teilhebel 25 und 26 und der Buchse ein möglichst spielfreies Anliegen der Stirnflächen der Buchse zu erzielen und damit der Anordnung zur besten Wirksamkeit zu verhelfen. Hierzu zeigt die Figur 5 in einer etwa der Figur 3 entsprechenden Darstellung die Teilhebel 25 und 26 sowie den Lagerbolzen 22 und eine zwischen den Teilhebeln angeordnete Buchse 40. Diese ist aus zwei gleichen Teil­stücken 41 zusammengesetzt, die jeweils einen Vorratsraum 42 für das Schmiermittel besitzen. Die Gesamtlänge beider Teilstücke 41 ist bewußt geringer als der Abstand der Teil­hebel 25 und 26 bemessen, so daß durch Einlegen üblicher Scheiben 43 entsprechend der jeweils gegebenen Toleranz ein dichtes Anliegen der Stirnflächen der Teilstücke 41 an den Teilhebeln 25 und 26 erzielt wird.

In der Figur 6 ist nur eine Buchse 45 ohne die angrenzenden Teile gezeigt. Die Buchse 45 ist aus zwei ineinandergreifend und relativ zueinander axial verschiebbaren Teilstücken 46 und 47 zusammengesetzt. Das Teilstück 46 enthält dabei die beiden Vorratsräume für das Schmiermittel, während das Teilstück 47 einen auf dem Teilstück 46 verschiebbaren zylindrischen Mantel bildet. Zwischen die einander gegen­überstehenden Ringflächen 50 und 51 der Teilstücke 46 und 47 sind mehrere axial wirkende Federelemente 52 eingefügt, z. B. Tellerfedern oder gewellte Federscheiben. Beim Einbau in die Hebelanordnung gemäß den Figuren 2 oder 3 liegen aufgrund dieser Federung die Endflächen der Teilstücke 46 und 47 an den Teilhebeln 25 und 26 mit einer gewissen Vorspannung an.

Eine genaue Anpassung der Buchse an den Abstand der Teil­hebel ist aber auch ohne Unterteilung in Teilstücke oder zusätzliche Scheiben bzw. Federelemente durch eine ein­stückige Ausführung gemäß der Figur 7 zu erreichen. Diese weist ein Innenteil 56 auf, welches im wesentlichen etwa der Buchse 31 in Figur 3 entspricht, dieser gegenüber je­doch verkürzt ausgeführt ist. Das Innenteil 56 ist mit einem Mantelteil 57 versehen, das über die eine Endfläche 58 des Innenteiles 56 übersteht. Etwa in der Mitte ist das Innenteil 56 mit einer Eindrehung 61 versehen. In diese greift ein deformierbarer Bereich 62 des Mantelteiles 57 ein, der, falls gewünscht, auch durch Stellen verringerten Quer­schnittes oder Ausnehmungen gebildet sein kann. Auf diese Weise ist durch Einwirkung einer radial gerichteten Kraft auf den Bereich 62 des Mantelteiles 57 eine bleibende Ver­formung zu erreichen, wodurch das Material des Mantelteiles 57 in die Eindrehung 61 hineingedrückt wird. Das Innenteil 56 und das Mantelteil 57 werden dadurch in gewünschter Stellung verbunden und ergeben eine Buchse mit geeigneter Länge.

Eine federnde Anlage der Buchse an den Teilhebeln ist auch nach der Ausführungsform erzielbar, wie sie in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist. Im Unterschied zu den zuvor be­schriebenen Buchsen ist die hier gezeigte Buchse 65 ein­stückig aus einem geeigneten Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt und weist einen mittleren federnd veformbaren Bereich auf. Dieser ist, wie der in der Figur 9 gezeigte Schnitt IX-IX zeigt, als federn­de Verbindungsscheibe 66 ausgebildet, die durch je zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete Stege 67 bzw. 68 mit den anschließenden Teilkörpern der Buchse 65 verbunden ist.

Eine bei dem Einbau der Buchse 65 in eine Hebelanordnung entsprechend den Figuren 2 oder auftretende Verformung ist in der Figur 8 durch strichpunktierte Linien schematisch dargestellt.