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Durch einen Elektromagneten bewegtes Schrittschaltwerk Die Erfindung
betrifft ein durch einen Elektromagneten bewegtes Schrittschaltwerk zum Antrieb
der niedrigstwertigen Stelle eines Zählwerkes mit einem starren, zwei Schaltklinken
aufweisenden Schalthebel, der in ein Sternrad der niedrigstwertigen Ziffernrolle
eingreift und diese bei der Anzug- und Abfallbewegung des gegen die Anzugbewegung
federbelasteten Ankers des Elektromagneten um je einen Halbschritt fortschaltet.
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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art ist der Schalthebel starr mit
dem Anker verbunden und überträgt dessen vom Elektromotor gesteuerte Bewegungen
direkt auf das Sternrad der niedrigstwertigen Ziffernrolle. Um bei einer solchen
Ausbildung für eine exakte Funktion der Vorrichtung zu sorgen, müssen die einzelnen
Teile sehr genau gefertigt und montiert werden, da sonst die Bewegung des Ankers
nicht mit den Schaltschritten übereinstimmt. Schon ein geringer Verschleiß kann
die Verhältnisse verändern und die Vorrichtung unbrauchbar machen. Außerdem muß
der elektromagnetische Antrieb relativ große Massen bewegen, wodurch der Arbeitsgeschwindigkeit
Grenzen gesetzt sind. Insbesondere beim Betrieb mit Wechselstrom arbeitet eine derartige
Vorrichtung unbefriedigend, da sich das Summen des elektromagnetischen Antriebs
über den Anker und den Schalthebel direkt auf das Zählwerk überträgt. Darüber hinaus
können beim Auftreten von Ankerschwingungen unkontrollierbare Schaltschritte durchgeführt
werden.
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Das Schrittschaltwerk nach der Erfindung weist diese Nachteile nicht
auf. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schalthebel und der Anker als getrennte
Teile ausgebildet sind und daß der Schalthebel unter der Wirkung einer Feder am
Anker derart anliegt, daß er diesem auf Grund des Druckes der Feder bei seiner Anzugbewegung
folgt. Der Schalthebel besitzt also eine eigene Antriebsfeder und wird somit von
der Anzugkraft des Elektromagneten unabhängig. Da die Massen jedes der beiden Teile
von einem eigenen Antrieb beschleunigt werden, kann die Arbeitsgeschwindigkeit des
Schrittschaltwerkes erheblich erhöht werden. Darüber hinaus verbilligt sich die
Herstellung der Vorrichtung, weil keine engen Toleranzen eingehalten werden müssen.
Der Anker dient nämlich nur als Steuerorgan für den Schalthebel und kann seine volle
Anzugbewegung unabhängig von diesem durchführen. Bei der Abfallbewegung wird er
von seiner Federbelastung so weit zurückgedrückt, bis der Schalthebel den entsprechenden
halben Schaltschritt durchgeführt hat. Die Lebensdauer des Schaltwerkes nach der
Erfindung wird gegenüber bekannten Vorrichtungen erheblich erhöht, da sich erst
ein sehr großer Verschleiß der beweglichen Teile ungünstig auswirkt.
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Auch bei Wechselstrombetrieb arbeitet das Schrittschaltwerk nach der
Erfindung in zufriedenstellender Weise, weil das Summen des elektromagnetischen
Antriebs nicht mehr direkt auf das Zählwerk übertragen wird. Die Feder, die den
Schalthebel gegen den Anker drückt, dämpft nämlich die Schwingungen, die vom Anker
ausgehen. Dadurch wird außerdem die Gefahr vermieden, daß unkontrollierbare Schaltschritte
ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der verbesserten dynamischen Charakteristik.
Durch die Wahl der Federbelastung des Ankers und der Antriebsfeder des Schalthebels
läßt sich nämlich der Schlag, mit dem der Schalthebel jeweils in das Sternrad einfällt,
vorausbestimmen, da der Schalthebel vollkommen unabhängig von der Anzugskraft des
Elektromagneten bewegt wird.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal sind der Schalthebel und
der Anker um voneinander entfernte Drehachsen gegenläufig schwenkbar angeordnet.
Auf diese Weise wird der Raumbedarf des Schrittschaltwerkes sehr gering.
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Häufig tritt im Zählwerk eine geringfügige Hemmung auf, die es erforderlich
macht, den Schalthebel bei der Anzugbewegung des Ankers anzustoßen. Vorzugsweise
greift daher der Anker mit Spiel zwischen zwei Gabelarme des Schalthebels ein. Das
Spiel sorgt dafür, daß bei störungsfreiem Betrieb
der unabhängige
Antrieb von Schalthebel ünd Anker ungestört bleibt. Ergibt sich jedoch eine Hemmung
im Zählwerk, die von der Antriebsfeder des Schalthebels nicht allein überwunden
werden kann, so schlägt der Anker nach Durchlaufen des Spiels gegen den zweiten
Gabelarm und überwindet die Hemmung. Anschließend arbeitet das Zählwerk in der oben
beschriebenen Weise weiter.
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Das Spiel, mit dem der Anker in die Gabelarme des Schalthebels eingreift,
darf nicht zu klein sein, da zur überwindung der Hemmung im Zählwerk auch die kinetische
Energie des Ankers mit benutzt werden soll. Vorzugsweise entspricht das Spiel der
Hälfte des Ankerweges. Auf diese Weise wird der normale Betrieb des Antriebs nicht
gestört, und andererseits ist die Geschwindigkeit des Ankers beim Auftreffen auf
den zweiten Gabelarm so groß, daß die kinetische Energie des Ankers zusammen mit
der Anzugkraft des Elektromagneten ausreicht, die Hemmung zu überwinden: Vorteilhafterweise
sind nach der Erfindung die Anlagestellen der Gabelarme konvex gekrümmt ausgebildet.
Insbesondere bei dem Gabelarm, der ständig am Anker anliegt, wirkt sich dieses Merkmal
günstig aus, da durch Umwandlung der reinen Gleitbewegung in eine teilweise rollende
Bewegung der Verschleiß in den Berührungspunkten vermindert wird.
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Vorzugsweise ist die den Anker gegen dessen Anzugbewegung belastende
Feder stärker als die den Schalthebel gegen den Anker drückende Feder. Um dabei
den elektromagnetischen Antrieb nicht übermäßig stark ausbilden zu müssen, ist vorteilhafterweise
zwischen dem Anker und der Polfläche des Elektromagneten in an sich bekannter Weise
eine elastische unmagnetisierbare Zwischenschicht, insbesondere aus Papier, vorgesehen.
Damit wird dafür gesorgt, daß sich der Anker nach Beendigung des Impulses sehr leicht
von der Oberfläche des Elektromagneten löst. Damit kann auch die ihn gegen seine
Anzugbewegung belastende Feder so schwach ausgebildet werden, daß sie nur geringfügig
die Kraft der Feder übersteigt, die den Schalthebel bewegt. Dies wiederum wirkt
sich auf die Stärke des Elektromagneten aus, die ja ausreichend sein muß, den Anker
gegen die Kraft seiner ihn belastenden Feder zu beschleunigen. Außerdem dient die
Zwischenschicht dazu, die Arbeitsgeschwindigkeit des Antriebs zu erhöhen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Vorrichtung nach der
Erfindung beispielsweise dargestellt. Die Zeichnungen stellen dar: F i g. 1 ein
Stück .einer teilweise aufgebrochenen Seitenansicht eines magnetischen Zählers gemäß
der vorliegenden Erfindung, F i g. 2 einen Querschnitt des Zählers nach F i g. 1
entlang der Linie 2-2, der eine Ausführungsform des Betätigungsorgans der Erfindung
zeigt, F i g. 3 ein Stück einer teilweise aufgebrochenen Ansicht einer weiteren
Ausführungsform des Betätigungsorgans, dessen Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung
entspricht.
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In den Zeichnungen sind an allen Figuren gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Ein magnetischer Zähler 10 für allgemeine Verwendung besteht
aus - einem- verlängerten, allgemein rechtwinkligen Kasten oder Gehäuse 12 von U-förmigem
Querschnitt, das an einer Rückwand 14 befestigt ist und sowohl die Untergruppe der
Ziffernrolle als auch die Untergruppe des elektromagnetischen Antriebs des Zählers
aufnimmt. Das Gehäuse ist mit einem Ablesefenster 16 an der Vorderseite 18 versehen,
um einzelne Indizes auf den Ziffernrollen anzuzeigen, so wie sie auf Grund von elektrischen
Signalen vorgerückt werden.
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Innerhalb des Gehäuses neben dem Ablesefenster ist die vom Betätigungsorgan
angetriebene Untergruppe der Ziffernrollen angeordnet, die eine Mehrzahl von drehbaren,
koaxial miteinander fluchtenden Ziffernrollen 20 umfaßt, die auf einer Welle 22
befestigt sind, um gesteuert nacheinander betätigt zu werden, wobei die Welle 22
von den Seitenwänden 24 des Gehäuses getragen wird und sich vorzugsweise über die
volle Länge des Zählers erstreckt. Jede der koaxial miteinander fluchtenden und
über die Welle 22 verteilten Ziffernrollen ist mit geeigneten Zahnrädern 26 verbunden,
die über die übertragungsritzel 28 zur Zusammenarbeit miteinander in Verbindung
stehen, um die richtige aufeinanderfolgende Betätigung der Rollen zu erreichen.
Mit der Ziffernrolle niedrigster Ordnung ist für den Antrieb ein sternförmiges Sperrad
30 verbunden, das auf der Welle 22 befestigt ist, um die Ziffernrolle niedrigster
Ordnung entsprechend der hin- und hergehenden Bewegung des Betätigungsorgans oder
Hebels 32 anzutreiben. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, sind doppeltwirkende Sperrzähne
34 des Betätigungsorgans oder Hebels 32 so angeordnet, daß sie mit den Zähnen des
Sperrades derart zusammenwirken, daß die Zähne 34 nacheinander in das Sperrad 30
eingreifen können, um die Ziffernrolle niedrigster Ordnung schrittweise in Schritten,
die einer halben Einheit oder einem halben Zählschritt entsprechen, anzutreiben.
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Die Rückwand 14 des Zählers ist mit- einer erhöhten Plattform 36 versehen,
an der der untere Arm 38 eines L<förmigen Bügels 40 befestigt ist, während der
andere Arm 42 des Bügels in fester Verbindung einen Elektromagneten oder einen elektromagnetischen
Antrieb, insgesamt mit 44 bezeichnet, trägt. Der elektromagnetische Antrieb 44,
der mit geeigneten Anschlüssen 46 zur Aufnahme elektrischer Impulse versehen ist,
besteht aus einer Spule 48, die um einen mittleren Kern 50 gewickelt ist, der als
Magnet wirken kann, wobei -seine glatte Vorderseite 52 den einen Pol bildet.
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Eingeklemmt zwischen der Plattform 36 und dem unteren Arm .des Bügels
ist eine flache, allgemein rechtwinklige Scharnierplatte 54 aus Kunststoff; die
sich über die Plattform 36 hinaus erstreckt und entlang ihrer herausragenden Kante
ein Paar axial fluchtender einstückiger Scharniere 56 trägt. Jedes Scharnier besitzt
einen tragenden Ansatz 58, der vom Scharnier nach rückwärts ragt und sich gegen
die Rückwand 14 abstützt, um den Scharnieren einen zusätzlichen Halt zu geben. In-
den Scharnieren wird ein Scharnierstift getragen, um eine feste drehbare Scharnierverbindung
herzustellen. - Die Scharniere und der Stift sind vorzugsweise aus hartem haltbarem
Material hergestellt, das eine Lagerstelle ohne Spiel innerhalb der Scharnierverbindung
ergibt. Es .wurde gefunden, daß Materialien, wie Delrin, Teflon od. dgl., ausgezeichnet
dazu geeignet sind und vorzugsweise verwendet werden, da sie in vorteilhafter Weise
zur Reduzierung des Summens bei Wechselstrombetrieb im Drehlager und zur Reduzierung
der häufig auftretenden Korrosionsabnutzung des -Scharnierstiftes beitragen. -
Ein
Relaisanker bzw. eine Klappe 62 des elektromagnetischen Antriebes 44 wird vom Scharnierstift
60 drehbar gehalten, um sich abwechselnd auf die gerade Polfläche 52 des festen
Kernes 50 zu und von ihr weg zu bewegen, wobei die Klappe ein Paar von aufrecht
stehenden Seitenflanschen 64 mit fluchtenden Bohrungen 66 zur Aufnahme des Stiftes
60 trägt. Die Klappe erstreckt sich vor den Flanschen in Form eines ebenen Hauptteiles
68, der in eine abgerundete Vorderkante 70 ausläuft, wobei der magnetisch anziehbare
Hauptteil 68 vollständig die Polfläche 52 der Kernes 50 überdeckt und noch darüber
hinausragt. An einer Seite des Hauptteiles 68 befindet sich eine einstückige Ausbuchtung
72, von der aus sich ein verlängerter Arm 74 in eine Richtung erstreckt, die der
Richtung der Seitenflansche 64 entgegengesetzt ist. Das freie Ende des Armes 74
ist mit einer Mehrzahl von Kerben 76 versehen, die einstellbar ein Ende einer Klappenrückholfeder
78 aufnehmen können, um die Rückholspannung einzustellen, die von der Rückholfeder
auf die Klappe ausgeübt wird. Das andere Ende der Zugfeder 78 ist an der Welle 80
der Übertragungsräder befestigt, wodurch die Klappe gegen den Uhrzeigersinn in F
i g. 2 von der Polfläche 52 weggedreht wird. Außerdem ist eine dünne Trennwand 81
aus Papier oder anderem flexiblem unmagnetischem Material vorzugsweise zwischen
der Klappe 62 und der Polfläche 52 in bekannter Weise angebracht, um mit Sicherheit
eine schnelle Rückkehr der Klappe zu bewirken, wenn die Spule 48 von der Energiequelle
getrennt wird.
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Der Hebel 32 ist drehbar auf einer Welle 82 befestigt, die in der
Seitenwand 24 .des Gehäuses hinter der Welle 22 getragen wird. Wie erwähnt, trägt
das vordere Ende des Hebels ein Paar von gegenüberliegenden Sperrzähnen 34, die
mit dem Sperrad 30 zusammenarbeiten, um die Ziffernrolle niedrigster Ordnung schrittweise
zu schalten. Das entgegengesetzte oder hintere Ende 84 des Hebels besitzt einen
Schulterteil 86, der von einer Antriebsfeder 88 gegen die ebene Ausbuchtung 72 der
Klappe gedrückt wird, wobei die Feder um die die Klappe tragende Welle 82 gewickelt
ist und zwei Arme 89 und 90 besitzt, die sich jeweils gegen die Welle 22 der Ziffernrollen
und gegen den Schulterteil 86 des Hebels abstützen. Auf diese Weise übt der Hebel
32 unter der Wirkung der Drehfeder 88 einen Druck auf die Klappe 62 aus, der entgegengesetzt
ist dem auf die Klappe von der Klappenrückholfeder 78 ausgeübten Druck.
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Der Hebel kann, wenn es gefordert wird, gemäß der Erfindung in der
Weise abgewandelt werden, wie es in F i g. 3 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform
trägt der Hebel 91 ein zweigeteiltes Ende, das zusätzlich zur Schulter 86
eine weitere Schulter 92 umfaßt, die mit der ersten Schulter 86 einen Zwischenraum
bildet. Der Zwischenraum zwischen den Schultern ist ausreichend, um der Klappe 62
Bewegungsfreiheit zu gewähren und ihre unabhängige Bewegung während des normalen
Betriebes des Zählers zuzulassen. Daher sollte der Zwischenraum ausreichend sein,
die Klappe 62 und den Hebel 91 jeweils unabhängig von der magnetischen Anziehung
des Kernes 50 und von der Torsionsfeder 88 anzutreiben, so daß der Zählwerksantrieb
unter normalen Umständen unabhängig von der magnetischen Anziehungskraft des Kernes
50 und allein abhängig von der Spannung der Torsionsfeder 88 ist. Jedoch sollte
der Zwischenraum so bemessen sein, daß die Klappe mit dem Hebel in Eingriff kommt
und dabei die Feder 88 bei der Betätigung des Hebels unterstützt, wenn die normale
Hebelbewegung übermäßig behindert ist, wie etwa auf Grund eines außerordentlichen
Hemmnisses innerhalb des Antriebsteiles des Zählers. Wie aus der vorliegenden Ausführungsform
hervorgeht, ist der Zwischenraum so bemessen, daß die Klappe frei etwa die Hälfte
ihres Weges zurücklegen kann, bevor sie an der zusätzlichen Schulter 92 zur Anlage
kommt. Auf Grund dessen wird die kinetische Energie oder der Impuls der Klappe 62
eine wirkungsvolle Unterstützung im Überwinden des Hemmnisses zum normalen Arbeiten
des Hebels und zum Schalten des Zählers um einen halben Zählschritt darstellen.
Der normale Betrieb des Hebels 91 bleibt jedoch insgesamt unverändert gegenüber
dem der Ausführung nach F i g. 2, solange ein ausreichendes Spiel vorhanden ist,
um eine Bewegung des Hebels unabhängig von der Klappe im normalen Betrieb zuzulassen.
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Folglich arbeitet der Zähler in der Weise, daß ein voller Zählschritt
der Ziffernrolle niedrigster Ordnung von jedem elektrischen Impuls ausgeführt wird,
der vom Elektromagneten aufgenommen wird. Der elektrische Impuls regt die Spule
48 des Elektromagneten an, eine Anziehungskraft auf die Klappe auszuüben, die ausreicht,
um die Spannung der Klappenrückholfeder zu überwinden. Praktisch gleichzeitig wird
der Hebel gegen den Uhrzeigersinn in F i g. 2 von seiner Antriebsfeder 88 gedreht,
um das Sperrad 30 einen ersten Antriebsschritt oder einen halben Zählschritt vorwärts
zu schalten. Insbesondere wird die Drehfeder vorzugsweise so ausgelegt, daß der
Hebel von seiner Antriebsfeder unabhängig von der Drehbewegung der Klappe gedreht
wird und daß daher die Bewegung des Hebels unabhängig von der magnetischen Anziehung
des Kernes 50 ist. Daher kann bei einem derartigen Hebelantrieb entsprechend den
Zeichnungen die Arbeitsbewegung des Hebels und der Schlag auf den Zähler, herrührend
vom Eingriff des Hebels in das Sperrad, vorausbestimmt werden in Übereinstimmung
mit der Wahl der Antriebsfeder. Dadurch, daß Klappe und Hebel unabhängig voneinander
arbeiten, wird außerdem erreicht, daß die Klappe ihren vollen Hub nach vorne durchführen
wird, um die flexible Trennwand 81 gegen die Polfläche 52 zu drücken, und es kann
erreicht werden, daß der Hebel seinen vollen Hub nach vorne durchführen wird, um
die Ziffernrolle vollständig um einen halben Schritt vorwärts zu schalten, beides
ohne die Notwendigkeit, enge Toleranzen in der Herstellung und beim Zusammenbau
von Klappe und Hebel einzuhalten. Außerdem beeinflußt die ungleichförmige Klappenbewegung,
die oft auftritt, wenn der Elektromagnet mit Wechselstrom betrieben wird, und die
gelegentlich ein zusätzliches Zählen des Zählers hervorruft, nicht die Tätigkeit
des Hebels in dem magnetischen Zähler gemäß der vorliegenden Erfindung auf Grund
der voneinander unabhängigen Tätigkeit von Klappe und Hebel.
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Wenn die Erregung des Elektromagneten aufhört, übt die Rückholfeder
78 den Antriebsdruck zum Zurückführen von Klappe und Hebel in ihre ursprüngliche
Position aus, wobei während dieser rückläufigen Bewegung die Ziffernrolle um den
zweiten halben Schritt vorwärts geschaltet wird. Daher ist es offensichtlich, daß
die Klappenrückholfeder 78 ausreichend stark sein muß, um nicht nur den Druck der
Hebelfeder
88 zu überwinden, sondern auch die Ziffernrolle über einen vollen halben Zählerschritt
zu schalten.
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Wie für den Fachmann offensichtlich, gehen aus der oben beschriebenen
Ausführungsform verschiedene Modifikationen und Abwandlungen ohne weiteres hervor,
die nicht vom Erfindungsgedanken abweichen.