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Die Erfindung betrifft einen federbetätigten Mechanismus,
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insbesondere zur Betätigung oder Ansteuerung eines Schaltgeräts o.dgl.,
jedoch nicht ausschließlich hierfür.
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Im Zuge der Spannungs- und Leistungserhöhung bei elektrischen Stromübertragungssystemen
und Unterwerken vergrößerten sich auch die Schaltgeräte, so daß diese eine Betätigungsvorrichtung
großer Ausgangsleistung erfordern. Als derartige Betätigungsvorrichtungen werden
derzeit verbreitet strömungsmittelgetriebene Anlagen, wie pneumatische oder hydraulische
Betätigungsanlagen eingesetzt, während für vergleichsweise kleine Ausgangsleistungen
federbetätigte Einrichtungen verwendet werden.
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Ein strömungsmittelgetriebenes Betätigungssystem ist jedoch einem
tiotorgetriebenen, federbetätigten Mechanismus Vom Standpunkt der Wartung unterlegen.
Beispielsweise ergeben sich bei ersterem System in der Praxis Schwierigkeiten bezüglich
Wartung, Prüfung usw. eines Kompressors bzw. Verdichters bei einer pneumatischen
Anlage oder bezüglich eines Schmiermittelaustritts an Rohrleitungsanschlüssen und
dgl. in einer hydraulischen Anlage.
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Als motorgetriebener, federbetätigter Mechanismus wird üblicherweise
ein solcher mit einem Kippgelenk verwendet. Ein Beispiel für die hauptsächlichen
Bauteile und das Arbeitsprinzip eines solchen Mechanismus ist in den Fig. 1 und
2 veranschaulicht. Dieser bisherige motorgetriebene, federbetätigte Mechanismus
mit Kippgelenk ist im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
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Dieser Mechanismus arbeitet wie folgt: 1. Bei Eingang eines Betätigungs-
oder Betriebsbefehls läuft ein nicht dargestellter Motor an, dessen Drehmoment über
ein nicht dargestelltes Untersetzungsgetriebe auf einen Motorhebel 1 übertragen
wird.
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2. Wenn der Motorhebel 1 mit einem der Ansätze 2a eines Federhebels
2 gemäß Fig. 2A in Berührung gelangt, wird eine Feder 5, die sich zu diesem Zeitpunkt
im maximal ausgestreckten (entspannten) Zustand befindet, durch das Drehmoment des
Motorhebels 1 allmählich zusammengedrückt, wobei sie Energie speichert und schließlich
den am stärksten zusammengedrückten Zustand gemäß Fig.2B erreicht. Die Feder 5 ist
dabei in einem Federgehäuse untergebracht, das mittels parallel zu einer Abtriebswelle
4 verlaufender Schwenkzapfen 5a an einem feststehenden Element angelenkt ist. Ein
anderer Ansatz 2b des Federhebels 2 legt sich an einen Abtriebswellenhebel 3 an,
sobald die Feder 5 den Punkt ihrer maximalen Zusammendrückung erreicht.
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3. Nachdem die Feder 5 den Punkt maximaler Zusammendrückung erreicht
hat, beginnt sie die gespeicherte Energie freizugeben, so daß der Abtriebswellenhebel
3 über den Federhebel 2 beschleunigt wird.
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4. Wenn die Feder 5 wieder den Zustand maximaler Längung bzw. Ausdehnung
erreicht (d.h. in einer Stellung, in welcher die Feder 5 relativ zur Lotrechten
entgegengesetzt zu ihrer Schrägstellung zu Beginn der Betätigung geneigt ist), ist
gemäß Fig. 2C der Betätigungsvorgang abgeschlossen.
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Der Vorgang in entgegengesetzter Richtung findet durch Wiederholung
der beschriebenen Arbeitsgänge in umgekehrter Reihenfolge, ausgehend von der Stellung
gemäß Fig. 2D, statt.
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Es ist somit ersichtlich, daß der federbetätigte Kippgelenkmechanismus
eine unkomplizierte Arbeitsweise besitzt, wenige Einzelteile benötigt und daher
vom wirtschaftlichen Standpunkt überlegene Eigenschaften gewährleistet. Bei Schaltgeräten,
insbesondere mit der Fähigkeit zur Unterbrechung eines elektrischen Stroms, ist
allgemein zur Erzielung einer ausreichend großen anfänglichen Trenngeschwindigkeit
(von Kontakten) in der Anfangsphase der Betätigung eine große Energiemenge erforderlich.
Da jedoch beim federbetätigten Kippgelenkmechanismus der Art gemäß Fig. 1 und 2
die von der Feder 5 in der Anfangsphase der Betätigung entsprechend der Drehung
der Abtriebswelle 4 über einen vorbestimmten Winkel freigesetzte Energie kleiner
ist als die für ihre Betätigung aufgebrachte Energie, erweist es sich als schwierig,
eine ausreichend große Anfangstrenngeschwindigkeit zu erreichen. Zur Vermeidung
dieser Schwierigkeit wäre es denkbar, die maximale Kompressionslast oder -kraft
der Kippgelenkfeder höher zu wählen. In diesem Fall muß jedoch die von den beweglichen
Teilen des Schaltgeräts bei Beendigung des Betätigungsvorgangs aufgenommene ueberschuß
energie durch eine Dämpfereinrichtung o.dgl. absorbiert werden, wodurch neue Probleme,
wie verstärkte Schwingung des Mechanismus am Ende des Betätigungsvorgangs infolge
von Stoßkraft, herbeigeführt werden.
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Zur Ausschaltung der mit den bisherigen, vorstehend beschriebenen
federbetätigten Mechanismen verbundenen Schwierigkeiten beschreibt die DE-AS 24
39 837.6 einen Mechanismus, bei dem die am Schließen und öffnen des Schaltgeräts
beteiligten Bauteile in konzentrischer Anordnung und drehbar ausgebildet und diese
beiden Teile jeweils mit konkaven Abschnitten versehen sind, die mit einem mit der
energiespeichernden Feder verbundenen Einrastbolzen in Eingriff bringbar sind.
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Weiterhin beschreibt die JP-OS 15 9511/1980 einen Mechanismus, bei
dem ein mit einem Elektromotor verbundener und durch diesen angetriebener Kurbelzapfen
eine drehbare Welle
über einen Lenker, der über einen Schlitz mit
dem Kurbelzapfen verbunden ist, und einen am Lenker angelenkten und mit der Welle
verbundenen Hebel in Drehung zu versetzen vermag, so daß infolge des Drehmoments
des Elektromotors eine Feder über die Welle Energie zu speichern vermag.
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Keine dieser Veröffentlichungen enthält jedoch einen Hinweis auf die
Verwendung einer Steuerkurven- oder Nockeneinrichtung, welche die Feder veranlaßt,
den größten Teil der in ihr gespeicherten Energie in der Anfangsphase der Betätigung
freizusetzen, wie dies erfindungsgemäß der Fall ist.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der
geschilderten Mängel des Stands der Technik durch Schaffung eines federbetätigten
Mechanismus, der sich für die Betätigung eines Schaltgeräts oder einer ähnlichen
Vorrichtung eignet, das bzw. die in der Anfangsphase der Betätigung eine große Betätigungskraft
erfordert.
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Dieser federbetätigte Mechanismus soll zudem bei Zuordnung zu einem
Schaltgerät eine höhere Anfangstrenngeschwindigkeit als der bisherige Mechanismus
gewährleisten.
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Die genannte Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
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Insbesondere wird mit der Erfindung ein federbetätigter Mechanismus
geschaffen, der eine an einer Kurbelwelle befestigte und durch diese in Bewegung
versetzbare Steuerkurve, in letzterer ausgebildete Kurvennuten oder -ausnehmungen,
eine am einen Ende mit einem Bolzen, der in den Kurvennuten abzurollen vermag, und
am anderen Ende mit einem Federträger versehene Stange, ein mit Mitteln zur Führung
der Stange längs einer geradlinigen Bahn versehenes feststehendes bzw. vorrichtungsfestes
Element und eine zwischen letzterem Element und dem Federträger angeordnete
Feder
umfaßt, wobei die Feder Energie zu speichern vermag, wenn die Kurbelwelle durch
einen Antrieb über einen vorbestimmten Winkel gedreht wird, und bei der Weiterdrehung
der Kurbelwelle über den vorbestimmten Winkel hinaus die in ihr gespeicherte Energie
freigibt und damit die Kurbelwelle schnell in Drehung versetzt.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich
zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines
bisherigen motorgetriebenen, federbetätigten Mechanismus zur Betätigung eines Schaltgeräts,
Fig.2A bis 2D schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Betriebszustände der
Hauptteile des Mechanismus nach Fig. 1 zur Verdeutlichung seines Arbeitsprinzips,
Fig. 3 eine schematische, auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines
federbetätigten Mechanismus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Betätigung
eines Schaltgeräts o.dgl., Fig. 4A bis 4E schematische Darstellungen aufeinanderfolgender
Betriebszustände der Hauptteile des Mechanismus gemäß Fig. 3 zur Veranschaulichung
seines Arbeitsprinzips, Fig. 5 eine graphische Darstellung von Kennlinien des bisherigen
Mechanismus gemäß Fig. 1 und 2 sowie des erfindungsgemäßen Mechanismus nach Fig.
3 und 4 und Fig. 6 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung
mit teilweise aufgeschnittenem Federgehäuse.
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Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.
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Bezüglich Fig. 3, in welcher eine Ausführungsform der Erfindung zur
Verdeutlichung ihres Aufbaus schematisch dargestellt ist, ist darauf hinzuweisen,
daß zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung solche Hebel usw., die eigentlich
in gegenseitiger Berührung stehen, voneinander getrennt dargestellt sind, während
das Gehäuse des Mechanismus, ein Elektromotor, ein Untersetzungsgetriebe-(gehäuse),
Lager usw. sämtlich weggelassen sind.
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Gemäß Fig. 3 überträgt ein Motorhebel 7 das ihm durch einen Elektromotor
über ein Untersetzungsgetriebe erteilte Drehmoment. Der Motorhebel 7 legt sich,
während er sich aus einer Ausgangsstellung über einen vorbestimmten Drehwinkel dreht,
an einen Federhebel 8 an; die Drehachsen von Motorhebel 7 und Federhebel 8 liegen
daher auf derselben Linie. Der Federhebel 8 und ein Nocken- oder Kurvenhebel 11
stehen gleichachsig in starrer Verbindung miteinander über einen Kurbelmechanismus,
der Kurbelwellen 10a, 10b und zwei getrennte, einander gegenüberstehende Kurbelarme
9 aufweist, die jeweils eine Kreissektorform besitzen und deren Umfangsteile miteinander
verbunden sind, während sie an ihren Außenabschnitten starr mit den Kurbelwellen
10a, lOb verbunden sind. Die anderen Enden dieser Kurbelwellen sind starr mit dem
Federhebel 8 bzw. dem Kurvenhebel 11 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform
besitzt jeder Kurbelarm 9 eine Kreissektorform, wobei ihre Drehmittelpunkte mit
den Zentren der Kurbelwellen 10a, 10b koinzidieren und beide Kurbelarme gemeinsam
als Steuerkurvenelement wirken. Zu diesem Zweck ist jeder Kurbelarm 9 mit einer
Kurvenausnehmung 9a versehen, wobei diese Ausnehmungen mit gegenseitigem Abstand
aufeinander ausgerichtet sind. Jede Kurvenausnehmung 9a besitzt eine im wesentlichen
herzförmige Gestalt, deren Längsmittellinie auf der den Kreissektor halbierenden
Linie liegt und deren "Spitze" den Achsen der Kurbelwellen 10a, 10b zugewandt ist.
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Mit anderen Worten: die Kurvenausnehmung 9a besitzt eine solche Form,
daß der Abstand vom Zentrum der Kurbelwelle im Mittelbereich der Kurvenausnehmung
am kleinsten ist und sich zu deren Enden hin zunehmend vergrößert. Ein stabförmiger,
an beiden Enden mit je einer Leitrolle 14a versehener Kurvenfühler 14 ist im Zwischenraum
zwischen den Kurbelarmen 9 so angeordnet, daß die Leitrollen 14a unter Abrollbewegung
durch die betreffenden Kurvenausnehmungen 9a führbar sind.
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Eine Verbindungsstange 15 ist mit ihrem einen Ende drehbar mit dem
Kurvenfühler 14 und mit ihrem anderen Ende drehbar mit einer Federstange 17 verbunden.
Zu diesem Zweck sind die beiden Enden der Verbindungsstange 15 drehbar mit dem Kurvenfühler
14 bzw. einem Bolzen 16 verbunden, der seinerseits das betreffende Ende der Verbindungsstange
15 drehbar bzw. schwenkbar mit der Federstange 17 verbindet und der an beiden Enden
je eine Rolle 16a trägt. Eine vorrichtungsfeste Rollenführung 20 aus zwei einander
parallel gegenüberstehenden Quer- oder Leitplatten, die am Gehäuse des Mechanismus
befestigt sind, weist in den gegenüberstehenden Platten lotrechte Nuten bzw. Ausnehmungen
20a zur Führung der Leitrollen 16a am Bolzen 16 mit einer geradlinigen Bewegung
auf.
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An der Rollenführung 20 ist ein Federträger 19 befestigt, der das
eine Ende einer Feder 18 haltert. Ein weiterer, das andere Ende der Feder 18 halternder
bzw. abstützender Federträger 21 ist am freien Ende der Federstange 17 befestigt.
Ein koaxial zum Kurvenhebel 11 angeordneter Abtriebswellenhebel 12 vermag das Drehmoment,
das auf noch zu beschreibende Weise durch die Freigabe der in der Feder 18 gespeicherten
Energie erzeugt wird, des Kurvenhebels 11 zu übertragen.
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Im folgenden ist die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen, in
Fig. 3 dargestellten federbetätigten Mechanismus anhand der Fig. 4A bis 4E erläutert,
die schematisch die
aufeinanderfolgenden Zustände (Bewegungsabläufe)
der Hauptbauteile des Mechanismus nach Fig.3 zur Verdeutlichung seines Arbeitsprinzips
veranschaulichen. In den Fig. 3 und 4 sind einander entsprechende Teile mit jeweils
gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Mechanismus arbeitet wie folgt: a) Bei Eingang
eines Betriebsbefehls beginnt der nicht dargestellte Motor den Motorhebel 7 aus
der Stellung gemäß Fig. 4A heraus zu drehen, wobei das Motordrehmoment über das
nicht dargestellte Untersetzungsgetriebe auf den Motorhebel 7 übertragen wird und
letzterer den mit ihm in Eingriff stehenden Federhebel 8 in Drehung versetzt.
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b) Da die Steuerkurve bzw. die Kurbelarme 9 und der Kurvenhebel 11
über die Kurbelwellen 10a, 10b mit dem Federhebel 8 verbunden sind, werden sie bei
der Drehung des Federhebels 8 ebenfalls in Drehung versetzt. Dabei verschiebt sich
der Kurvenfühler 14 bei der Drehung der Kurbelarme 9 unter Führung der Leitrollen
14a längs der Kurvenausnehmungen 9a gemäß Fig. 4B aufwärts, so daß die Feder 18
über Verbindungsstange 15 und Federstange 17 zwischen den Federträgern 19 und 21
zusammengedrückt wird und den Zustand gemäß Fig. 4B erreicht.
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c) Der Motorhebel 7 beendet nach einer kleinen Drehbewegung nach Erreichen
des maximalen Kompressionszustands der Feder 18 seine Drehung. Diese kleine Drehbewegung
ruft eine geringe Längung bzw. Ausdehnung (eO) der Feder 18 hervor. Da zu diesem
Zeitpunkt die Steuerkurve bzw. die Kurbelarme 9 ihre oberen Totpunkte überschritten
haben, drehen sie sich infolge der Freigabe der in der Feder 18 gespeicherten Energie
weiter, wobei der Kurvenfühler 14 gleichzeitig in die Stellung gemäß Fig. 4C gedrängt
wird.
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Die hierbei von der Feder 18 freigesetzte Energie ist entsprechend
ihrem Hub eO (Fig. 4C) klein. Die Aufprall-
kraft beim Auftreffen
der Leitrollen 14a des Kurvenfühlers 14 an den Sohlen bzw. unteren Enden der Kurvenausnehmungen
9a ist daher sehr gering. Zu diesem Zeitpunkt kommt der Kurvenhebel 11 erstmals
in Berührung mit dem Abtriebswellenhebel 12 (vgl. Fig. 4C).
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d) Die Steuerkurve bzw. die Kurbelarme 9 werden (sodann) gemäß Fig.
4D aufgrund der Freigabe der in der Feder 18 gespeicherten Energie beschleunigt
und über die Federstange 17 und die Verbindungsstange 15 schnell bewegt. Gleichzeitig
mit der Drehung des über die Kurbelarme 9 mit der Kurbelwelle 10b verbundenen Kurvenhebels
11 werden auch der Abtriebswellenhebel 12 und die Abtriebswelle 13 (Fig.3) schnell
verdreht, wobei sich der Abtriebswellenhebel 12 gemäß Fig. 4D über einen Winkel
91 dreht.
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e) Die Feder 18 gibt weiterhin die gespeicherte Energie ab, bis sie
den Zustand maximaler Ausdehnung gemäß Fig. 4E erreicht. In dieser Arbeitsstufe
nimmt die Steuerkurve bzw. nehmen die Kurbelarme 9 eine symmetrisch zur Stellung
zum Zeitpunkt des Betriebsbeginns gemäß Fig. 4A liegende Stellung ein, während sich
der Abtriebswellenhebel 12 gemäß Fig. 4E über einen Winkel e2 weiterdreht.
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f) Durch Umkehrung der Drehrichtung des Motors zwecks Drehung des
Motorhebels 7 in entgegengesetzter Richtung kann, ähnlich wie vorstehend unter (a)
bis (e) beschrieben, eine Betätigung in entgegengesetzter Richtung erfolgen.
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Da beim motorgetriebenen, federbetätigten Mechanismus gemäß der Erfindung
auf die in Fig. 4A bis 4E dargestellte Weise der Hub e1 der Feder 18, entsprechend
einem Drehwinkel e1 des Abtriebswellenhebels 12 während der ersten Hälfte des Arbeitsvorgangs,
größer ist als der Federhub e2, entsprechend dem Drehwinkel 92 des Abtriebswellenhebels
12 während der zweiten Hälfte des Arbeitsvorgangs, vermag der Mechanismus somit
ersichtlicherweise die Anfangstrennge-J
schwindigkeit (von z.B.
Kontakten) in einem Schaltgerät in vorteilhafter Weise zu erhöhen. Da weiterhin
zum Zeitpunkt der Beendigung des Arbeitsvorgangs die in den beweglichen Teilen des
Schaltgeräts gespeicherte Energie kleiner ist als bei einem bisherigen Schaltgerät,
ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß keine Dämpfer o.dgl. zur Absorbierung überschüssiger
Energie benötigt werden.
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Fig. 5 veranschaulicht in graphischer Darstellung die genannten Vorteile
des erfindungsgemäßen Mechanismus im Vergleich zu einem bisherigen Mechanismus,
wobei in Fig. 5 die Summe der von der Feder freigesetzten Energie gegen dren Drehwinkel
der Abtriebswelle für einen Drehwinkel von bis zu 900 aufgetragen ist. In Fig. 5
steht der Winkel 4 für den Drehwinkel der Abtriebswelle, der zur Erzielung einer
vorbestimmten Anfangstrenngeschwindigkeit erforderlich ist, während das Symbol P2
die für die Erzielung dieses Drehwinkels erforderliche Energie bezeichnet. P1 steht
für die der Abtriebswelle bei der Drehung über den Winkel 0 bei einem bisherigen
federbetätigten Mechanismus des Kippgelenktyps zu erteilende Energie (unter der
Voraussetzung, daß die Federkraft entsprechend der beim erfindungsgemäßen Mechanismus
eingestellt ist).
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Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist beim motorgetriebenen, federbetätigten
Mechanismus gemäß der Erfindung die von der Feder freigesetzte Energie in der Anfangsphase
der Drehung der Abtriebswelle größer, während sie im Verlauf der Drehung der Abtriebswelle
schnell abnimmt. Beim bisherigen motorgetriebenen, federbetätigten Kippgelenkmechanismus
ist dagegen die von der Feder freigesetzte Energie im mittleren Verlauf der Abtriebswellendrehung
hoch bzw. am höchsten. Wenn somit die von der Feder abgegebene Energie als konstant
vorausgesetzt wird, ist die Anfangstrenngeschwindigkeit beim bisherigen Mechanismus
niedriger als beim erfindungsgemäßen Mechanismus.
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Wenn weiterhin beim bisherigen Mechanismus, wie durch die strichpunktierte
Linie in Fig. 5 angedeutet, versucht wird, eine vorbestimmte Trenngeschwindigkeit
durch Erhöhung des Federdrucks zu erreichen, müssen die beweglichen Teile des Mechanismus
eine übermäßig große Energie speichern, woraus sich Probleme, wie ein Schwingen
("Pendeln") am Ende des Arbeitsvorgangs, ergeben.
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Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß beim erfindungsgemäßen
motorgetriebenen, federbetätigten Mechanismus im Vergleich zum bisherigen Kippgelenkmechanismus
eine sehr große Betätigungskraft (entsprechend mehr als ungefähr dem Doppelten der
Kraft beim bisherigen Mechanismus) mit einer Federkraft erzielt werden kann, die
im wesentlichen derjenigen beim bisherigen Mechanismus entspricht.
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Die Erfindung bietet zudem den Vorteil, daß Schwingung o.dgl. am Ende
des Arbeitsvorgangs, d.h. der Betätigung, auf einen sehr niedrigen Pegel unterdrückt
wird.
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Wenn mithin der erfindungsgemäße Mechanismus für den Zweck der Erzielung
einer ähnlich großen Betätigungskraft, wie sie mit dem bisherigen Mechanismus erzielbar
ist, eingesetzt wird, kann der Federdruck wesentlich kleiner sein als beim bisherigen
Mechanismus, so daß auch Schwingung o.dgl. am Ende des Arbeitsvorgangs, wie erwähnt,
beträchtlich verringert wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind zur Vermeidung eines Energieverlusts
infolge von Schwingungen der Feder die am Bolzen 16 für die schwenkbare Verbindung
der Federstange 17 mit der Verbindungsstange 15 gelagerten Rollen 16a durch Rollenführungen
20 begrenzt, so daß die Feder 18 eine Linearbewegung ausführt. Bei der abgewandelten
Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6 können dagegen die Federstange 17 und
der Kurvenfühler 14 ohne die zwischengefügte Verbindungsstange 15 unmittelbar miteinander
verbunden sein. Ersichtlicherweise bietet diese abgewandelte Ausführungsform ähnliche
Wirkungen wie die zu-
erst beschriebene Ausführungsform. Gemäß
Fig. 6 sind ein Federgehäuse 22 sowie letzteres schwenkbar mit dem Gehäuse des Mechanismus
verbindende Schwenkzapfen 23 vorgesehen, wobei die Kurbelwellen 10a, lOb, wie bei
der zuerst beschriebenen Ausführungsform, stets in einer vorgegebenen Lagenbeziehung
gehalten werden.
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Selbstverständlich sind verschiedene Änderungen und Abwandlungen an
den vorstehend beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen möglich, ohne daß
vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.