DE19817796C2 - Schleifkontaktanordnung mit verlängerter Lebensdauer - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale und Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Einheiten, von denen zumindest eine eine Bewegung ausführt und welche sich im schleifenden Kontakt befinden, DOLLAR A und ein erster Kontakt einer ersten Einheit einen zweiten Kontakt der zweiten Einheit in einem ersten Punkt berührt, DOLLAR A und dabei die erste Einheit eine translatorische Bewegung in Relation zu dem ersten Berührungspunkt ausführt. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Einheit als Bürste ausgebildet ist und dabei die zweite Einheit eine Rotationsbewegung in Relation zu dem ersten Berührungspunkt ausführt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale und Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Einheiten, von denen zumindest eine eine Bewegung ausführt und welche sich im schleifenden Kontakt befinden, und ein erster Kontakt einer ersten Einheit einen zweiten Kontakt der zweiten Einheit in einem ersten Punkt berühren, und dabei die erste Einheit eine translatorische Bewegung in Relation zu dem ersten Berührungspunkt ausführt.

Derartige Vorrichtungen werden zur Übertragung von elektrischen Signalen bzw. elektrischer Energie zwischen zwei oder mehreren aktiv zueinander beweglichen Teilen eingesetzt. Die Bewegung kann dabei eine rotatorische, eine translatorische oder eine zusammengesetzte Bewegung sein.

Der Übersichtlichkeit halber wird in der vorliegenden Beschreibung nicht zwischen der Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist und keinen Einfluss auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vor­ richtung hat. Ebenso wird nicht weiter zwischen der Übertragung von Signalen und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen gleich sind.

Stand der Technik

Bei translatorisch und insbesondere linear beweglichen Einheiten, wie Kran- und Förderanlagen sowie bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computer-Tomographen ist es notwendig, zwischen einander beweglichen Einheiten bzw. einer feststehenden und wenigstens einer dazu beweglich angeordneten Einheit elektrische Signale bzw. Energie zu übertragen.

In der Regel erfolgt die Energieübertragung mittels mechanisch schleifender Kontaktpartner. Um eine hohe Lebensdauer und niedrige Übergangswider­ stände zu erzielen, enthält zumindest einer, vorzugsweise aber beide dieser Kontaktpartner einen metallischen Anteil sowie verschiedene Additive, weiche eine Schmierung und Erhöhung der Lebensdauer bewirken.

In den meisten Anwendungsfällen besitzen beide Kontaktpartner unterschiedliche Geometrien. So hat meist ein Kontaktpartner, der sich entlang der Bahn der Bewegung erstreckt, eine wesentlich größere Oberfläche als der zweite Kontaktpartner, der sich relativ zu diesem bewegt.

Der Einfachheit halber wird nur noch auf die "Schleifbahn" für den größeren der beiden Kontaktpartner entlang der Bahn der Bewegung sowie die "Bürste" für den sich relativ dazu bewegenden Kontaktpartner Bezug genommen.

Durch die aufgrund der Bewegung beider Kontaktpartner zueinander vorhandene Reibung entsteht ein Abrieb, weicher die Lebensdauer der Kontaktanordnung begrenzt. Das Ende der Lebensdauer ist z. B. dann erreicht, wenn das Kontaktmaterial einer der beiden Kontaktpartner verschlissen ist. In einem solchen Fall kann der mechanische Kontakt beider Kontaktpartner auf einem anderen Material, weiches primär mechanische oder Trägerfunktionen erfüllt, aber keine guten Kontakteigenschaften besitzt, basieren.

Damit verschlechtern sich die Kontakteigenschaften, wie Übergangswiderstand, Rauschen und Stromtragfähigkeit drastisch. Häufig zieht dies auch einen wesentlich schnelleren Verschleiß der noch verbleibenden Teile der Kontaktanordnung nach sich.

Das Ziel der Entwicklung derartiger Kontaktanordnungen ist ein möglichst großes Reservoir an Kontaktmaterial im Bereich der möglichen Berührungspunkte zwischen Schleifbahn und Bürste zur Verfügung zu stellen. Bei gängigen Metall-Graphit-Bürsten, die aus einer Kombination eines leitfähigen Metalls wie Silber sowie des Schmiermittels Graphit bestehen, kann dies durch eine möglichst große Dimensionierung der Bürste erreicht werden. Bei den ebenfalls sehr häufig eingesetzten Federdrahtbürsten, bei denen ein federnder Draht den Kontakt zur Schleifbahn herstellt, kann dies durch einen möglichst großen Drahtdurchmesser erreicht werden.

Der Nachteil derart vergrößerter Kontaktanordnungen ist eine wesentliche Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften, da die Masse der Bürste zunimmt. So ist die Bürste insbesondere bei schnellen Bewegungen nicht mehr in der Lage, kleinen Änderungen in der Oberfläche der Schleifbahn zu folgen und den Kontakt aufrechtzuerhalten.

Aus der DE-GM 74 30 542 ist ein Schleifkontaktsatz für ein elektrisches Gerät, insbesondere für einen Rundfunkempfänger bekannt, der eine Kontaktfeder als Kontakt aufweist, die eingeschränkt beweglich ist. Die Beweglichkeitsmöglich­ keit der Kontaktfeder dient ausschließlich der Justierung der Feder in eine optimale Lage auf einem Wellenstumpf. Die Feder weist zudem zwei Kontaktpunkte auf, die beide auf dem Wellenstumpf aufliegen, wodurch eine bessere Verbindung der beiden Kontakte hergestellt werden soll. Diese beiden Kontaktpunkte würden bei einer Beanspruchung durch sehr häufige oder sehr schnelle Drehbewegungen genau an diesen Kontaktpunkten beansprucht und sehr schnell abgenutzt. Eine translatorische Bewegung der Feder auf der Welle ist nach der Justierung der Feder nicht mehr möglich. Diese Lösung ist für zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Lösung noch übliche Rundfunkempfänger entwickelt worden und für diesen Zweck geeignet. Eine Erhöhung der Lebensdauer von Schleifkontakten wie sie in drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder Computer-Tomographen üblich sind, ist mit der Lösung nach der DE-GM 74 30 542 nicht möglich.

In der Veröffentlichung im von HEINZE, Eberhardt, Dr., "Lexikon der Eisenbahn", Berlin transpress, 1971, 6. bearb. Auflage ist das allgemeine Prinzip beschrieben, bei Vorrichtungen zur Übertragung elektrischer Signale und Energie zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen durch sich überlagernde Bewegungen der Kontaktpartner die effektiv genutzte Kontaktfläche zu vergrößern und dadurch die Lebensdauer zu erhöhen. Aus dieser Veröffentlichung ist eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Signalen und Energie zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen (Fahrleitung und Stromabnehmer) bekannt, von der bei der Bildung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 der erfindungsgemäßen Lösung ausgegangen wird. Zwei relativ zueinander bewegliche Einheiten, von denen zumindest eine eine Bewegung ausführt, befinden sich in schleifendem Kontakt. Ein erster Kontakt einer ersten Einheit und ein zweiter Kontakt einer zweiten Einheit berühren sich in einem ersten Punkt. Mindestens ein Kontaktpartner bewegt sich translatorisch in bezug auf einen ersten Berührungspunkt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Übertragung elek­ trischer Signale und/oder Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander be­ weglichen Teilen anzugeben, die eine hohe Lebensdauer aufweist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der in Anspruch 1 angegebenen erfindungsgemäßen Lösung führen die beiden Kontaktpartner der schleifenden Kontaktanordnung gegeneinander eine zusätzliche Bewegung in einer zweiten Achse oder entlang einer zweiten Bahn der Bewegung aus, welche nicht mit der Bahn der Hauptbewegung identisch ist. Bei herkömmlichen Kontaktanordnungen, wie z. B. Metall-Graphit-Bürsten oder auch Federdraht-Bürsten, erfolgt die Kontaktierung näherungsweise punktförmig. Im Falle der Metall-Graphit-Bürste folgt diese Bürste mit einer nahezu punktförmigen Auflage einer durch die Bewegung der beiden Kontaktpartner vorgegebenen Bahn der Bewegung. Im Falle der Federdraht-Bürste erfolgt der Kontakt an einem, zweien oder im Falle von Mehrfach-Federdraht-Bürsten mehreren, eng beieinander liegenden Kontaktpunkten, welche sich entlang der Bahn der Bewegung bewegen. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu dieser ersten Bewegung eine zweite Bewegung ausgeführt. Dadurch ergibt sich im Laufe der Zeit bei kontinuierlicher Bewegung beider Kontaktpartner eine Verschiebung des Kontaktpunktes, sowohl an der Bürste als auch an der Schleifbahn. Damit steht eine wesentlich höhere Oberfläche des abzureibenden Kontaktmaterials an Bürste und Schleifbahn zur Verfügung, ohne die Masse der Kontakte zu erhöhen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine weitere Bewegung zusätzlich zur Hauptbewegung der beiden Kontaktpartner. Diese weitere Bewegung ist so gestaltet, dass sich der Kontaktpunkt beider Partner und somit auch der Abrieb linienförmig verteilen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt eine weitere Bewegung zusätzlich zur Hauptbewegung der beiden Kontaktpartner. Diese weitere Bewegung ist so gestaltet, dass sich die Kontaktpunkte beider Partner und somit auch der Abrieb auf einer Fläche verteilen.

Bei Drehbewegungen lässt sich auf besonders einfache Weise eine zusätzliche Linearbewegung zwischen beiden Kontaktpartnern erzeugen. Dies erfolgt durch eine exzentrische Lagerung der runden Schleifbahn. Durch diese Exzentrizität wird neben der rotatorischen eine zusätzliche translatorische Komponente in bezug auf die Bürste erzeugt.

In einer anderen Ausführungsform kann eine solche translatorische Komponente durch eine lineare Bewegung der Bürste bzw. des Bürstenhalters mitsamt der Bürsten in eine vorgegebene Richtung erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zusätzliche translatorische Komponente durch eine drehende Kreisbahn, welche eine vom Kreis abweichende Außenkontur mit tangential dazu anliegender Bürste erreicht.

Besonders einfach lässt sich eine zusätzliche translatorische Bewegung entlang der Bürste erzielen, wenn die Schleifbahn elliptisch ausgeführt ist.

Wird nun ein Bürstenhalter mit mindestens zwei tangential an die Schleifbahn anliegenden Bürsten eingesetzt, welcher um eine Achse parallel zur Drehachse der Schleifbahn drehbar angeordnet ist, so kann sich dieser immer derart bewegen, dass der Winkel zwischen den beiden tangential anliegenden Bürsten nahezu konstant und damit auch die Anpresskraft der Bürsten an die Schleifbahn konstant ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine tangentiale Komponente der Bewegung durch einen linearen Vorschub der Bürste in beliebiger, aber vorzugsweise tangentialer Richtung zur Schleifbahn erreicht.

Besonders einfach lässt sich eine translatorische Bewegung erreichen, indem eine als Draht ausgeführte Bürste über Rollen entlang der Schleifbahn geführt wird.

In Falle einer kreisförmigen Kontaktanordnung erfolgt die Führung hier tangential zur Kontaktbahn.

In einer besonders einfachen Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Rollen und damit der Vorschub des Bürstenmaterials mittels eines Untersetzungsge­ triebes, das durch die Hauptbewegung der Kontakteinrichtung angetrieben wird.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Rollen über einen separaten Motor.

Eine weitere Ausführungsform bietet eine höhere Anzahl von Kontaktpunkten, indem mehrere Umlenkrollen so entlang der Geometrie der Kontaktanordnung geführt werden, dass die Bürste mehrmals Kontakt mit dieser macht. Im Falle einer runden Kontaktanordnung können dies z. B. drei Rollen sein, die so angeordnet sind, dass ein tangentialer Kontakt zwischen Bürste und Schleifbahn an zumindest einem, besser zwei oder drei Punkten, erfolgt. Durch die Reibung der Hauptbe­ wegungsrichtung wird nun auch der zur Kontaktierung verwendete Draht fortbewegt. Die Geschwindigkeit dieses Drahtes kann durch entsprechende Dämpfung oder zusätzliche Reibung in den Rollen gesteuert werden. Soll die Geschwindigkeit unabhängig eingestellt werden, so ist ein separater Antrieb, z. B. über einen Motor, sinnvoll.

In einer weiteren Ausführungsform kann eine zusätzliche Bewegung dadurch erzeugt werden, dass die Schleifbahn eine Nut enthält, welche vorzugsweise zur Führung der Bürste vorgesehen ist. Diese Nut besitzt eine Geometrie, die sich entlang des Weges der Schleifbahn verändert, so dass die Auflagepunkte der Bürste verschiedene Positionen einnehmen. Besonders einfach kann dies erreicht werden, indem die Schleifbahn eine v-förmige Nut erhält, deren Breite bzw. Tiefe sich kontinuierlich ändert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In der zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit exzentrisch gelagerter kreisförmiger Schleifbahn

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit radial beweglichem Bürstenblock

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit elliptisch geformter Schleifbahn

Fig. 5 eine Abwandlung der Anordnung mit elliptisch geformter Schleifbahn und zusätzlich drehbar gelagertem Bürstenblock

Fig. 6 dient zur Erläuterung der Anordnung aus Fig. 5

Fig. 7 eine weitere Ausführung mit einem zwischen zwei Rollen gelagertem Draht als Bürste

Fig. 8 eine Abwandlung der Ausführung aus Fig. 7 mit zwischen Rollen gelagertem Draht als Bürste

Fig. 9 eine weitere Ausführung der Erfindung mit v-förmiger Nut, welche unter­ schiedliche Steigungen und Tiefen entlang der Bahn der Bewegung aufweist.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

In den folgenden Figuren sind gleiche bzw. gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass zum Teil auf eine erneute Vorstellung verzichtet werden kann.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Schleifbahn (1) wird radial durch eine drahtförmige Bürste (2) kontaktiert. Diese Bürste ist befestigt in einem Bürstenhalter (4a). Dieser Halter kann nun zusammen mit der an ihm befestigten Bürste in beliebiger Weise bewegt werden, so dass sich der Kontaktpunkt entlang der drahtförmigen Bürste verschiebt. Beispielhaft ist hier eine Bewegung in Position (4b) mit der neuen Position der Bürste (3), d. h. in der Längsachse der Bürste dargestellt. Selbstverständlich sind auch Bewegungen in Achsen quer zur Drahtachse oder auch rotatorische Bewegungen möglich.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einer runden Kontaktbahn, welche exzentrisch um den Mittelpunkt (7) gelagert ist. Zwei extreme Positionen der Kontaktbahn sind als (1a) und (1b) dargestellt. Der Bürstenhalter (4) ist hier fest in Bezug auf die Drehachse (7) montiert. In der am weitesten vom Bürstenblock entfernten Position des Kreismittelpunktes, wie in (1b) dargestellt, ergibt sich die Position der beiden Bürsten (3a) und (3b), welche hier beispielhaft tangential angebracht sind. In der anderen extremen Position der Schleifbahn (Ia) ergibt sich die zugehörige Position der Bürsten (2a) und (2b). Während der Drehung der Schleifbahn von Position (1b) in die Position (Ia) wandert der Kontaktpunkt entlang der Bürsten zum Bürstenblock hin. Damit wird während der Drehung der Schleifbahn kontinuierlich der Kontaktpunkt entlang der Bürste verlagert.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit konzentrisch gelagerter Schleifbahn (1), die sich um den Mittelpunkt (7) dreht. Hier ist nun der Bürstenblock beweglich gelagert, so dass er radial zur Drehachse bewegt werden kann. Beispielhaft sind zwei mögliche Positionen des Bürstenblocks dargestellt. Die Position (4a) nahe an der Drehachse, mit den daraus resultierenden Positionen der beiden Drahtbürsten (2a) und (2b) sowie eine weiter von der Drehachse entfernte Position des Bürstenblocks (4b) mit den resultierenden Drahtpositionen (3a) und (3b). Wird der Bürstenblock nun kontinuierlich zwischen diesen beiden Positionen hin- und herbewegt, so wandert ebenfalls der Kontaktpunkt an den drahtförmigen Bürsten entlang der Bürstenachse. Diese Darstellung zeigt beispielhaft zwei Bürsten, selbstverständlich kann auch jede andere Anzahl von Bürsten eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einer drehenden elliptischen Schleifbahn und zwei Bürsten. Die Schleifbahn ist beispielhaft in zwei Positionen dargestellt. In einer Position (Ia) ergibt sich die Bürstenposition (3a) und (3b). In der anderen Position (1b) der Schleifbahn ergibt sich die zugehörige Bürstenstellung (2a) und (2b). Auch hier wandert der Kontaktpunkt entlang der Achse der Bürsten.

Fig. 5 zeigt eine erweiterte Ausführung der Fig. 4. Hierin ist der Bürstenblock (4) drehbar gelagert. Damit stellt sich bei einer Position (1a) der Schleifbahn, die Position (4a) des Bürstenblocks sowie bei der Position (1b) der Schleifbahn die Position (4b) des Bürstenblocks ein. Zusätzlich sind noch die Kontaktpunkte zwischen Schleifbahn und Bürstenblock eingezeichnet. In der Stellung (Ia) der Schleifbahn ergibt sich der Kontaktpunkt (6a) an der Bürste (3a) sowie der Kontaktpunkt (6b) an der Bürste (3b). In der zweiten eingezeichneten Position der Schleifbahn (1b) ergibt sich der Kontaktpunkt (5a) an der Bürste (2a) sowie der Kontaktpunkt (5b) an der Bürste (2b). Aus dem Abstand der Pfeile an den Positionen (6a) bzw. (5a) sowie (6b) bzw. (5b) ist der Weg des Kontaktpunktes entlang der Bürstenachse erkennbar.

Fig. 6 dient zur Erläuterung der besonderen Vorzüge aus Fig. 5. Hier sind zusätzlich noch die Winkel zwischen den Bürsten eingezeichnet. So ergibt sich zur Stellung (Ia) der Schleifbahn, mit zugehörigen Bürstenpositionen (3a) und (3b) ein Winkel (6a) und (6b) zwischen den beiden Bürsten. Dieser ist näherungsweise gleich groß wie der Winkel (5a) und (5b), der sich in der Position (1b) zwischen den Bürsten (2a) und (2b) einstellt. Damit ist bei dieser Anordnung während der gesamten Bewegung der Winkel zwischen den Bürsten, damit deren Auslenkung und als Folge davon die Anpresskraft der Bürste auf die Schleifbahn konstant.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit einer Schleifbahn (1) sowie einer drahtförmigen Bürste (2), welche über eine erste Rolle (8) sowie eine zweite Rolle (9) tangential zur Schleifbahn geführt werden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Anordnung mit einer Schleifbahn (1) sowie einer drahtförmigen Bürste (2), welche über mehrere Rollen (8), (9) und (10) an die Schleifbahn geführt werden.

Fig. 9 zeigt im Querschnitt eine Anordnung einer drahtförmigen Bürste (2), welche in einer v-förmigen Nut in der Schleifbahn (1) läuft. Hier sind beispielhaft die Querschnitte an zwei unterschiedlichen Positionen entlang der Bahn der Bewegung der Schleifbahn dargestellt. So kann beispielsweise an einer Position die Schleifbahn einen Querschnitt (Ia) besitzen, währen sie an einer anderen Stelle den Querschnitt (1b) besitzt. Dabei verschieben sich die Auflagepunkte entlang des Umfangs der drahtförmigen Bürste (2).

Claims (9)

1. Vorrichtung zur kontaktierenden Übertragung elektrischer Signale und Energie zwischen wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Einheiten, von denen zumindest eine eine Bewegung ausführt und welche sich im schleifenden Kontakt befinden,
und ein erster Kontakt einer ersten Einheit einen zweiten Kontakt der zweiten Einheit in einem ersten Punkt berühren,
und dabei die erste Einheit eine translatorische Bewegung in Relation zu dem ersten Berührungspunkt ausführt,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einheit als Bürste ausgebildet ist und
dabei die zweite Einheit eine Rotationsbewegung in Relation zu dem ersten Berührungspunkt ausführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einheit als ein Bürstenhalter mit mindestens einer daran befestigten Bürste realisiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Einheit die zweite Einheit in einem zweiten Punkt berührt und dabei die dritte Einheit eine translatorische Bewe­ gung in Relation zu dem zweiten Berührungspunkt ausführt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtförmige Bürste über Rollen bewegt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Rollen über ein Untersetzungsgetriebe von der Rotationsbewegung abgeleitet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Rollen über einen separaten Motor erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umlenkrollen zur Umlenkung der drahtförmigen Bürste derart vorgesehen sind, dass diese Bürste an mehreren Punkten mit der zweiten Einheit in Kontakt steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einheit mindestens eine umlaufende Nut aufweist, welche sich in ihrer Querschnitts-Geometrie verändert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut v-förmig ausgebildet ist.