DE10044046A1 - Schaltwelle für eien mehrpoligen Leistungsschalter und Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltwelle - Google Patents

Abstract

Eine Schaltwelle (10) für einen mehrpoligen Leistungsschalter weist einen mehrkantig profilierten zentralen Wellenschaft (1) und von dem Wellenschaft (1) abragende Ausleger (4) mit einem Muffenteil (5) und hiervon ausgehenden Hebelteilen (6) auf. Der Muffenteil (5) ist innen dem Wellenschaft (1) entsprechend profiliert und in der Längsrichtung des Wellenschaftes (1) durch eine Reibungskraft gesichert. Zur Erzeugung der Reibungskraft sind die Muffenteile (5) durch Urformung, wie Gießen, Warmpressen oder ähnlich, mit einem Untermaß gegenüber dem Wellenschaft (1) hergestellt. Die Positionierung der Ausleger (4) auf dem Wellenschaft (1) erfolgt durch eine Pressvorrichtung (13) oder durch ein Schrumpfverfahren nach Einbringen des Wellenschaftes (1) und/oder der Ausleger (4) in eine Behandlungskammer (17) bzw. (18) zur Abkühlung und/oder Erwärmung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltwelle für einen mehrpoligen Leistungsschalter, bestehend aus einem mehrkantig profilier­ ten zentralen Wellenschaft und von dem Wellenschaft abragen­ den hebelartigen Auslegern zur Verbindung der Schaltpole mit­ einander und mit einer Antriebsvorrichtung. Ferner befasst sich die Erfindung mit Verfahren zur Herstellung solcher Schaltwellen.

Die Schaltwelle eines Leistungsschalters hat die wichtige Aufgabe, einen gewünschten Bewegungsablauf der Schaltpole beim Ein- und Ausschalten zu gewährleisten. Da die Schaltbe­ wegungen sehr rasch erfolgen müssen und hierbei bedeutende Kräfte zu übertragen sind, ergeben sich hieraus spezielle An­ forderungen. Insbesondere kommt es darauf an, dass die Schaltwelle eine ausgeprägte Festigkeit gegen Biegung besitzt dass und dass die Verbindung der Ausleger mit dem Wellen­ schaft eine hohe Beständigkeit gegen eine Beanspruchung mit Drehmomenten von wechselnder Richtung aufweist.

In diesem Zusammenhang ist einerseits die durch Bauvorschrif­ ten für Niederspannungs-Leistungsschalter festgelegte Min­ dest-Lebensdauer von 10.000 mechanischen Schaltspielen einzu­ halten, andererseits dürfen wirtschaftliche und praktische Gesichtspunkte, wie Kosten und Gewicht, nicht vernachlässigt werden. Es wurde eine Reihe unterschiedlicher Konstruktionen für Schaltwellen entwickelt, um diese gegensätzlichen Anfor­ derungen zu erfüllen.

Da spezielle Werkzeuge und Fertigungsverfahren hohe Kosten bedingen, wurden solche Mittel bisher vor allem bei einer entsprechend hohen Zahl zu fertigender Schaltwellen einge­ setzt. Beispielsweise können Schaltwellen im Rahmen dieser Betrachtungen einen massiven Wellenschaft aus Rundstahl auf­ weisen, auf den aus Stahlblech bestehende Ausleger durch ein- oder beidseitige Schweißnähte befestigt werden. Das Schweißen kann automatisiert erfolgen. Die Anpassung dieser Fertigung an Leistungsschalter mit unterschiedlicher Zahl der Schaltpo­ le und unterschiedlichem Abstand der Schaltpole kann dadurch erfolgen, dass von dem als Ausgangsmaterial verwendeten Rund­ stahl Wellenschäfte mit entsprechender Länge abgeteilt und die Ausleger in angepassten Positionen aufgeschweißt werden. Die Ausleger selbst und die Vorrichtung zum Schweißen bleiben dabei unverändert. Diesen Vorteilen stehen hohe Anforderungen an die Einhaltung bestimmter Parameter des Schweißverfahrens gegenüber, um eine Beeinträchtigung der Eigenschaften der be­ nutzten Werkstoffe und die Maßhaltigkeit der fertigen Schalt­ wellen zu gewährleisten.

Durch die DE 12 18 594 A1 oder die DE 15 13 341 A1 ist es ferner bekannt, wie dies einleitend erwähnt ist, einen mehr­ kantigen (hier: quadratischen) Wellenschaft zu verwenden, auf dem als Stanz-Biegeteile ausgebildete Ausleger durch eine Art Klemmverbindung (Nieten oder Schrauben) befestigt werden. Auch andere Querschnittsformen von Wellenschäften wurden in Niederspannungs-Leistungsschaltern bereits eingesetzt, vgl. beispielsweise das sechseckige Profil gemäß der DE 38 02 181 A1.

Als weitere Möglichkeit zur wirtschaftlichen Herstellung von Schaltwellen mit allen geforderten Eigenschaften wurde eine Herstellung als einstückige Bauteile im Gießverfahren in Be­ tracht gezogen, wie dies in der DE 197 27 853 C1 beschrieben ist. Offensichtlich werden hierbei jedoch für jede benötigte Baugröße und Zahl von Schaltpolen unterschiedliche Gießformen benötigt. Um die Vorteile des Gießverfahrens auch für mehrere Baugrößen von Leistungsschaltern nutzen zu können, wurde in diesem Zusammenhang gemäß der DE-Patentanmeldung vom 23. 12. 1998 mit dem Aktenzeichen 198 60 717.2 vorgeschlagen, nur die Ausleger im Gießverfahren herzustellen, und zwar durch örtliches Umgießen eines zentralen runden Wellenschaf­ tes aus Stahl.

Die erwähnten Schaltwellen mit einem mehrkantig profilierten Wellenschaft haben den Vorteil, dass die Übertragung eines Drehmomentes auf die Ausleger wegen des Formschlusses sehr sicher ist. Jedoch erfordern die an sich einfachen Verbin­ dungsmittel (Biegen oder Verstemmen von Blechlappen oder -Nasen, Einbringen von Schrauben, Auflegen von Traversen oder Schließblechen) ein hohes Maß von Sorgfalt und eine relativ aufwendige Qualitätsprüfung. Auch kann eine gelegentliche Prüfung der Verbindungen zwischen dem Wellenschaft und den Auslegern im Betrieb eines Leistungsschalters erforderlich sein.

Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zu Grunde, eine Bauform einer Schaltwelle für einen Leistungsschalter zu schaffen, die von den Vorteilen eines zentralen mehrkantig profilierten Wellenschaftes Gebrauch macht und die sich bei geringen Kosten für die Herstellung und die Qualitätsprüfung für unterschiedliche Baugrößen von Leistungsschaltern eignet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ausleger durch Urformung hergestellt sind und einen den Wellenschaft umschließenden Muffenteil sowie wenigstens einen mit dem Muffenteil einstückigen. Hebelteil aufweisen, wobei der Muffenteil innen dem Wellenschaft entsprechend profiliert ist und gegen Verschiebung in der Längsrichtung des Wellen­ schaftes durch eine Reibungskraft gesichert ist.

Die Ausleger sind bei dieser Bauweise ähnlich wie bei der eingangs geschilderten geschweißten Bauweise von Schaltwellen einfache Standardteile, deren Beschaffenheit und Güte sich gut einhalten lassen. Die Befestigung dieser Ausleger auf dem mehrkantigen Wellenschaft durch eine Reibkraft erlaubt es, die Ausleger in beliebigen Positionen entlang dem Wellen­ schaft ohne jeden speziellen Aufwand anzubringen. Man könnte zwar daran denken, auch gestanzte Ausleger durch eine Reib­ kraft auf einem mehrkantigen Wellenschaft zu befestigen. Die hierfür erforderlichen Eigenschaften sind jedoch bei einem Stanzteil nur mit einem viel höheren Aufwand als bei einem Gussteil zu erreichen, was eine wirtschaftliche Herstellung von Schaltwellen nicht erlauben würde.

Im Rahmen der Erfindung bieten mit einem Vielnut-Profil ver­ sehene Wellenschäfte besondere Vorteile, weil sie die Über­ tragung sehr hoher Drehmomente gestatten. Derartige Profile wurden bereits für Wellenkupplungen (US 4,357,137) oder für Leistungsschalter-Einfahrantriebe (DE 36 11 389 A1) einge­ setzt, wo allerdings im Unterschied zur Erfindung die Muffen­ teile auf dem Wellenschaft betriebsmäßig verschiebbar sind.

Der Muffenteil der Ausleger kann in einer Ausgestaltung der Erfindung zur Aufnahme der Schaltwelle in einem Lager eine zylindrische Umfangsfläche besitzen. Dies hat den Vorteil, dass eine durchgehende Lagerfläche zur Verfügung steht, ob­ wohl auch eine direkte Lagerung einer Vielnut-Profilwelle in einer Lagerbuchse in Betracht gezogen werden könnte. Hiermit kann vorteilhaft eine Weiterbildung des Auslegers kombiniert werden, bei welcher der Ausleger zwei mit den axialen Enden des Muffenteiles bündige Hebelteile aufweist, die zur Siche­ rung der Schaltwelle gegen axiale Verschiebung über die Um­ fangsfläche überstehend ausgebildet sind.

Im Rahmen der Erfindung werden weiterhin Verfahren zur Her­ stellung von Schaltwellen nach der Erfindung vorgeschlagen, bei denen es im wesentlichen um die Art und Weise geht, wie die benötigte Reibkraft zwischen dem Wellenschaft und jedem der Ausleger erzeugt wird. Eines dieser Verfahren sieht vor, dass die mit einem relativen Untermaß des Muffenteiles gegen­ über dem Wellenschaft hergestellten Ausleger durch eine in der Längsrichtung des Wellenschaftes wirkende Presskraft bis zu ihrer vorgesehenen Position auf dem Wellenschaft verscho­ ben werden. Dies erweist sich besonders für kürzere Schalt­ wellen als rationell, wie sie für Leistungsschalter im Be­ reich niedriger Nennströme eingesetzt werden.

Ein weiteres Verfahren, das sich besonders für relativ lange Schaltwellen eignet, nutzt das zum Fügen von Bauteilen im Ma­ schinenbau bekannte Schrumpfverfahren in der Weise, dass die mit einem relativen Untermaß des Muffenteiles gegenüber dem Wellenschaft hergestellten Ausleger derart erwärmt und/oder der Wellenschaft derart abgekühlt wird/werden, dass das In­ nenmaß des Muffenteiles wenigstens den Abmessungen des Quer­ schnittes des Wellenschaftes entspricht und dass die vorgese­ hene relative Position von Wellenschaft und Ausleger bis zum Ausgleich der Temperaturunterschiede von Wellenschaft und Ausleger aufrechterhalten wird. Bei beiden Verfahren ist der Aufwand für die Befestigung der Ausleger auf dem Wellenschaft denkbar gering.

Eine Schaltwelle nach der Erfindung sowie zu ihrer Herstel­ lung geeignete Verfahren werden im Folgenden anhand der Figu­ ren näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Wellenschaft aus mehrkantig profiliertem Stahl in Ansicht bzw. im Profil.

Ein auf dem Wellenschaft gemäß den Fig. 1 und 2 anzubrin­ gender Ausleger ist in den Fig. 3 und 4, gleichfalls in Ansicht und im Profil, gezeigt.

Die Fig. 5 zeigt in Ansicht eine Schaltwelle für einen drei­ poligen Leistungsschalter, bestehend aus einem Wellenschaft gemäß den Fig. 1 und 2 sowie drei Auslegern gemäß den Fig. 3 und 4.

Die Fig. 6 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner Schaltwelle gemäß der Fig. 5, bei dem Ausleger durch ei­ ne Pressvorrichtung auf den Wellenschaft gedrückt werden.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Schaltwelle wird durch die Fig. 7 und 8 veranschaulicht. Dabei zeigt die Fig. 7 Verfahrensschritte zur Abkühlung eines Wellenschaftes und zur Erwärmung von Auslegern, die durch ein Hilfswerkzeug vorübergehend zu einer Montagegruppe verbunden sind. Die Fig. 8 zeigt den Wellenschaft mit aufgebrachter Montagegruppe vor Entfernung des Hilfswerkzeuges.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zunächst als eine der Komponenten einer Schaltwelle für einen Niederspannungs-Leistungsschalter einen Wellenschaft, der ein Vielnut-Profil aufweist. Die ent­ sprechende Querschnitts- bzw. Profilform ist näher der Fig. 2 zu entnehmen. Danach sind am Umfang des Wellenschaftes 1 sechs Nuten 2 angeordnet, durch die dementsprechend sechs in der Längsrichtung des Wellenschaftes 1 verlaufende parallel flankige Stege 3 gebildet sind. Der Wellenschaft 1 besteht aus Stahl, der mit der beschriebenen Profilierung in längeren Einheiten zur Verfügung steht, von denen Teilstücke geeigne­ ter Länge nach Bedarf abgeteilt werden können.

Die auf den Wellenschaft 1 gemäß den Fig. 1 und 2 anzu­ bringenden Ausleger 4 sind in den Fig. 3 und 4 darge­ stellt. Wie man erkennt, weisen die Ausleger 4 ein Muffenteil 5 und zwei hiermit einstückige Hebelteile 6 auf. Der Muffen­ teil 5 ist innen entsprechend dem Profil des Wellenschaftes 1 gestaltet und weist dementsprechend den Stegen 3 (Fig. 2) entsprechende parallelflankige Nuten 7 und zwischen den Nuten 7 gelegene Stege 8 auf, die den Nuten 2 (Fig. 2) entspre­ chen. Der Ausleger 4 ist als Doppelhebel mit zwei parallelen Hebelteilen 6 ausgebildet, die durch den Muffenteil 5 mitein­ ander verbunden sind. An den axialen Enden des Muffenteiles 4 bilden die Hebelteile 6 einen umlaufenden, überstehenden Rand.

Es ist vorgesehen, die Ausleger 4 im Wege der Urformung her­ zustellen, worunter Gießen, Warmpressen, Schmieden, Sintern und ähnliche Verfahren zu verstehen sind. Beispielsweise er­ weist sich Zink-Druckguss als ein geeignetes Herstellungsver­ fahren für die Ausleger 4. Die Druckgussform wird dabei so bemessen, dass sich ein gewisses Untermaß des Muffenteiles gegenüber dem Wellenschaft 1 ergibt, wodurch die Ausleger 4 durch eine Reibungskraft auf den Wellenschaft 1 befestigt werden können und nach der Anbringung keiner axialen Siche­ rung durch zusätzliche Bauteile bedürfen.

Eine fertige Schaltwelle 10 zeigt die Fig. 5. Auf dem Wel­ lenschaft 1 sind drei Ausleger 4 angebracht. Zylindrische Um­ fangsflächen 11 der Ausleger 4 dienen dabei als Lagerflächen, die in abgebrochen gezeigten Wellenlagern 12 aufgenommen sind. Die über den Muffenteil 5 überstehenden Hebelteile 6 bilden Wangen zur Sicherung der Schaltwelle 10 gegen axiale Verschiebung relativ zu den Wellenlagern 12.

Zur Montage der Ausleger 4 auf dem Wellenschaft 1 eignet sich die in der Fig. 6 schematisch dargestellte Pressvorrichtung 13, die einen hydraulisch betätigten rohrförmige Pressstempel 14 aufweist. Der Innendurchmesser des Pressstempels 14 ent­ spricht dabei mindestens dem Außendurchmesser des Wellen­ schaftes 1, so dass die Ausleger 4 an jeder gewünschte Posi­ tion entlang dem Wellenschaft 1 verschoben werden können. Ei­ ne solche Position, wie sie in der Fig. 6 auf dem Wellen­ schaft 1 gestrichelt angedeutet ist, kann beispielsweise durch einen an dieser Position vorgesehenen Anschlag 15 oder durch eine Positionssteuerung des Pressstempels 14 mittels einer Steuervorrichtung 16 erreicht werden.

Während bei dem mittels der Vorrichtung gemäß der Fig. 6 durchzuführenden Verfahren die Ausleger 4 durch Überwindung der Reibkraft verschoben werden, die sich aufgrund des be­ schriebenen Untermaßes der Ausleger 4 gegenüber dem Wellen­ schaft 1 ergibt, ermöglicht die Vorgehensweise gemäß den Fig. 7 und 8 eine annähernd kräftefreie Positionierung der Ausleger 4 auf dem Wellenschaft 1. Diese Vorgehensweise be­ ruht auf dem bekannten Schrumpfverfahren, bei dem wahlweise die Ausleger 4 erwärmt oder der Wellenschaft 1 abgekühlt oder die Erwärmung und die Abkühlung kombiniert angewendet werden. Hierzu sind gemäß der Fig. 7 Behandlungskammern 17 mit der Kennzeichnung T- sowie 18 mit der Kennzeichnung T+ vorgese­ hen, die je nach der beabsichtigten Vorgehensweise einzeln oder gemeinsam zur Anwendung gelangen. Die Behandlungskammer 18 ist dabei so bemessen, dass mehrere, insbesondere die zur Herstellung einer Schaltwelle benötigte Anzahl von Auslegern aufgenommen werden können. Obwohl die Ausleger in die Behand­ lungskammer 8 lose eingebracht werden können, erweist es sich als vorteilhaft, die benötigten Ausleger 4 durch ein Hilfs­ werkzeug 20 vorübergehend zu einer Montagegruppe 19 zusammen­ zufügen. Beispielsweise kann das Hilfswerkzeug 20 als die Ausleger 4 etwa kammartig erfassendes Blechteil ausgebildet sein.

Nach geeigneter Abkühlung und/oder Erwärmung der Teile mit­ tels der Behandlungskammern 17 und 18 lässt sich durch das Hilfswerkzeug gebildete Montagegruppe 19 kräftefrei oder an­ nähernd kräftefrei auf den Wellenschaft 1 aufbringen. Eine Pressvorrichtung wie in der Fig. 6 wird dabei unter Umstän­ den nicht benötigt. Die gewünschte Reibungskraft zwischen den Auslegern 4 und dem Wellenschaft 1 entsteht selbsttätig durch Temperaturausgleich, d. h. dadurch, dass der Wellenschaft 1 und die Ausleger 4 Raumtemperatur annehmen. Ist dies gesche­ hen, so kann das Hilfswerkzeug 20 (Fig. 7) abgenommen wer­ den, wie dies in der Fig. 8 durch Pfeile 21 angedeutet ist.

Claims (7)

1. Schaltwelle (10) für einen mehrpoligen Leistungsschalter, bestehend aus einem mehrkantig profilierten zentralen Wellen­ schaft (1) und von dem Wellenschaft (1) abragenden hebelarti­ gen Auslegern (4) zur Verbindung der Schaltpole miteinander und mit einer Antriebsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleger (4) durch Urformung hergestellt sind und einen den Wellenschaft (1) umschließenden Muffenteil (5) sowie we­ nigstens einen mit dem Muffenteil (5) einstückigen Hebelteil (6) aufweisen, wobei der Muffenteil (5) innen dem Wellen­ schaft (1) entsprechend profiliert ist und gegen Verschiebung in der Längsrichtung des Wellenschaftes (1) durch eine Rei­ bungskraft gesichert ist.

2. Schaltwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenschaft (1) ein Vielnut-Profil aufweist.

3. Schaltwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Muffenteil (5) der Ausleger (4) zur Aufnahme der Schalt­ welle (10) in einem Lager (12) eine zylindrische Umfangsflä­ che (11) besitzt.

4. Schaltwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (4) zwei mit den axialen Enden des Muffenteiles (5) bündige Hebelteile (6) aufweist, die zur Sicherung der Schaltwelle (10) gegen axiale Verschiebung über die Umfangs­ fläche (11) überstehend ausgebildet sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer Schaltwelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem relativen Untermaß des Muffenteiles (5) gegen­ über dem Wellenschaft (1) hergestellten Ausleger (4) durch eine in der Längsrichtung des Wellenschaftes (1) wirkende Pressvorrichtung (13) bis zu ihrer vorgesehenen Position auf dem Wellenschaft (1) verschoben werden.

6. Verfahren zur Herstellung einer Schaltwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem relativen Untermaß des Muffenteiles (5) gegen­ über dem Wellenschaft (1) hergestellten Ausleger (4) in einer Behandlungskammer (17) derart erwärmt und/oder der Wellen­ schaft (1) in einer entsprechenden Behandlungskammer (18) derart abgekühlt wird/werden, dass das Innenmaß des Muffen­ teiles (5) wenigstens den Abmessungen des Querschnittes des Wellenschaftes (1) entspricht und dass die vorgesehene rela­ tive Position von Wellenschaft (1) und Auslegern (4) bis zum Ausgleich der Temperaturunterschiede von Wellenschaft (1) und Ausleger (4) aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die insgesamt auf dem Wellenschaft (1) anzubringenden Ausle­ ger (4) durch ein Hilfswerkzeug (20) zu einer Montagegruppe (19) verbunden werden, dass die Montagegruppe (19) erwärmt und auf dem Wellenschaft (1) positioniert wird und dass das Hilfswerkzeug (20) nach erfolgtem Temperaturausgleich ent­ fernt wird.