DE3241763A1

DE3241763A1 - Maehmaschine, insbesondere rasenmaeher

Info

Publication number: DE3241763A1
Application number: DE19823241763
Authority: DE
Inventors: Keith Andrew Windsor Berkshire Jefferson
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1981-11-13
Filing date: 1982-11-11
Publication date: 1983-06-23
Also published as: DE3241763C2; GB2110432A; GB2110432B

Description

10-1-14

Beschreibung

Mähmaschine/ insbesondere Rasenmäher

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine voh einem Elektromotor angetriebene Mähmaschine, insbesondere Rasenmäher, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. 10

Die Erfindung findet speziell Anwendung bei Rasenmähern, die Räder auf v/eisen oder von einem Luftkissen getragen v/erden.

Viele Arten derartiger Mähmaschinen werden von Kommutatormotoren angetrieben, bei denen es sich für gewöhnlich um Reihenschluß-Universalmotoren handelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einige der diesen bekannten Maschinen anhaftenden Nachteile wesentlich zu mildern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die von einem Elektromotor angetriebene erfindungsgemäße Mähmaschine enthält eine elektronische Schaltung zum Steuern der Motordrehzahl derart, daß die Drehzahl des Motors im unbelasteten Zustand begrenzt wird, um eine konstante Drehzahl innerhalb vorgegebener Grenzen der Motorbelastung einzustellen, und um wenigstens eine weitere niedrigere Drehzahl des Motors einzustellen, die niedriger ist als die konstante Drehzahl.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung

anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen;

Figur 1 ■

eine perspektivische Ansicht eines Luftkissen-Rasenmähers,

Figur 2 .·

eine vergrößerte Vertikalschnittansicht durch einen Teil des Rasenmähers/

Figuren 3 und 4

graphische Darstellungen, und

Figur 5 .

ein Schaltbild einer Steuerschaltung für den Motor des Rasenmähers. -

Ein in Figur 1 gezeigter Luftkissen-Rasenmäher hat äußerlich die Form eines herkömmlichen Rasenmähers mit einem

2Q Schneidengehäuse 1, das ein Schneidmesser und ein Ventilatorrad umschließt, welche von einem Elektromotor ange-. trieben werden, der in einem auf der Oberseite des Schneidengehäuses 1 montierten Motorgehäuse 2 untergebracht ist. Die Bewegung des Mähers wird über einen Handgriff 3 ge- · steuert, an dessen äußerem Ende sich ein Ein/Aus-Hebel 4 befindet, mit dem die Zufuhr elektrischer Energie von einem an das Netz angeschlossenen Kabel 5 zu einer an die Eingangsanschlüsse des Motors angeschlossenen Leitung 6 gesteuert wird.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht des Schneidengehäuses 1 und des Motorgehäuses 2.

Das Schneidengehäuse 1 besitzt eine Oberseite 8 mit einer von dieser nach unten abstehenden Umfangswand 9, die außen, eine nach oben gebogene Krempe 10 aufweist.

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Die Oberseite 8 besitzt eine kreisförmige Mittelöffnung 11, die von einer einstückig mit dem Gehäuse 1 ausgebildeten Wand 12 umgeben ist. Die Kante der Öffnung 11 ist nach oben gebogen, wie bei 13 angedeutet ist. 5

Zentrisch bezüglich der Öffnung 11 ist ein ringförmiges Teil 14 einer Lagerung für einen Motor 15.angeordnet. Von dem Teil 14 erstrecken sich mit Abstand angeordnete (nicht gezeigte) Arme in radialer Richtung, durch die die Halterung an dem Schneidengehäuse 1 befestigt ist.

An dem Teil 14 ist eine stirnseitige Halterung 16 des Motors 15 befestigt. Die Halterung 16 besitzt einen Mitteransatz 17,der in der Mittelöffnung des ringförmigen Teils 14 sitzt. Der Ansatz 17 besitzt in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise einen Durchgang, in dem ein Kugellager 18 für das untere Ende einer Ankerwelle 19 des . Elektromotors 15 befestigt ist. · .

Die stirnseitige Halterung 16 ist an der Stirnseite eines Feld-Blechpakets. 20 des Motors 15 mittels Bolzen 21 befestigt, die an dem anderen Ende des Pakets ■ die'ringförmige Unterseite einer zweiten stirnseitigen Halterung befestigen. Von der Halterung 22 aus erstrecken sich nach innen geneigte, beabstandete Arme 23, die. Träger für Bürsten 25 enthaltende Bürstenkästen 24 tragen. Die inneren Enden der Bürsten 25 haben elektrischen Kontakt mit einem Anker 26 des Motors 15. Außerdem wird von den Armen 23 ein kugelförmiges Lager 27 für das obere Er»de der Ankerwelle 19 gestützt.

Die Arme 23 lagern weiterhin ein Drehzahlsteuermodul 28, welches unten noch beschrieben wird.

Das den Motor 15 einschließende Gehäuse 2 enthält einen unteren Teil 29 mit einer nach außen geneigten Wand 30,

die die Öffnung 10 umgebende Wand 12 etwas überlappt und von der Wand 12 unter Bildung einer Eintrittsöffnung 31 beabstandet ist.

Der untere Teil 29 ist derart geformt, daß er eine Ringtasche 32 bildet, die zwischen der Mittelwand des Teils und einer Zwischenwand 33 liegt, die von einer das Paket 20 umgebenden Innenwand 34 radial beabstandet ist und sich im wesentlichen soweit wie diese erstreckt. Die Innenwand 34 besitzt einen Innenflansch 35, der auf einem Außenflansch 36 der stirnseitigen Halterung 16 angeordnet ist, um den Teil 29 des Motorgehäuses 2 zu positionieren.

Die Ringtasche 32 nimmt einen Luftfilter 37 eines geeigneten geschäumten oder porösen Kunststoff materials auf/. welches von Radialrippen 38 in seiner Lage gehalten wird. Die Radialrippen 38 erstrecken sich von der gekrümmten. Wandung 39 des haubenförmigen Oberteils 40 des Gehäuses 2 nach innen. . .

" . Die Oberwand 41 des Teils 40 besitzt eine von einem Sichtglas oder durchsichtigem Kunststoff abgedeckte Mittelöffnung, durch die die Stirnseite der Ankerwelle 19 gesichtet werden kann, um deren Drehung festzustellen. Die Oberwand 41 besitzt außerdem einen abgestuften Abschnitt 42 mit einer (nicht gezeigten) Öffnung, deren Zweck unten noch beschrieben wird.

An dem unteren Ende der Ankerwelle 19 ist ein Ventilatorrad 43 befestigt, dessen Flügel sehr nahe an der Öffnung 11 des Schneidengehäuses 1 liegen. Außerdem ist an der Ankerwelle 19 ein Schneidstab 44 befestigt, der unter dem Ventilatorrad 43 angeordnet ist. ·

Der bisher beschriebene Rasenmäher arbeitet wie folgt:

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Bei Erregen des Motors 15 dreht sich das Ventilatorrad 43, wodurch über die Eintrittsöffnung 32 und die öffnung 11 Luft angesaugt wird, um unter dem Schneidengehäuse 1 ein Luftkissen zu erzeugen, welches den Rasenmäher trägt. Außerdem wird über in dem Gehäuse 2 vorgesehene (nicht gezeigte) Öffnungen Luft in den oberen Teil 40 des Gehäuses 2 gesaugt. Diese Luft gelangt durch den Filter 37, der die Luft von mitgeführtem Material befreit, und anschließend strömt die Luft nach oben, um in den Raum zwi-'0 sehen dem Motoranker und dem Stapel 20 zu gelangen und dadurch die Kühlung des Motors zu unterstützen.

Der Kühlungsluftstrom tritt über (nicht gezeigte) öffnungen in der stirnseitigen Halterung 16 aus und vereinigt .15 sich mit dem von der Eintrittsöffnung 31 kommenden Luftstrom vor dem Eintritt in das Ventilatorrad. Der sich drehende Motor dreht außerdem den Schneidstab 43, dessen äußere Enden alle Pflanzen abschneiden, die in dem Weg

des Schneidstabs liegen.
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In Figur 3 ist die Kurve A die Geschwindigkeits-Drehmoment-Kennlinie eines herkömmlichen Reihenschluß-Kommutatormotors, der einen Luftkissen-Rasenmäher mit dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Aufbau antreibt. Die Kennlinie verdeutlicht den bekannten Nachteil derartiger Motoren, daß bei abnehmender Drehzahl das Drehmoment zunimmt. Eine derartige Drehzahlabnähme beeinträchtigt den \glatten und ruhigen Schneidvorgang bei einem solchen Rasenmäher. Bei langem und/oder nassem Gras, welches den Motor beträchtlieh belastet, kann die Drehzahlverminderung soweit führen, daß der Rasenmäher überhaupt nicht mehr schneidet, ■

Um jedoch sicherzustellen, daß auch noch bei großer Belastung geschnitten wird, kann man daran denken, daß es ^ lediglich notwendig sei, einen Motor größerer Leistung zu verwenden, um eine angemessene Geschwindigkeit über

ι einem größeren Drehmomentbereich sicherzustellen. Dies kann man dadurch erreichen, daß der Motor derart ausgelegt wird, daß er mit einer höheren Drehzahl läuft. Eine höhere Drehzahl bei Belastung bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Drehzahl im unbelasteten Zustand übermäßig groß ist. Mit einer zu großen Drehzahl geht ein unerwünscht hoher Energieverbrauch und ein starker Lärmpegel einher. · .

Die Kurve B in Figur 3 ist die Kennlinie des der Kurve A entsprechenden Motors, der jedoch derart elektronisch gesteuert ist, daß im Anfangsbereich der Kennlinie eine konstante Drehzahl erzielt wird. Die konstante Drehzahl ist so gewählt, wie es für ein wirksames Schneiden von langem und/oder nassem Gras erforderlich ist.

Auf diese Weise begegnet man dem Problem zu hoher Drehzahlen im unbelasteten Zustand, wodurch gleichzeitig ein mit zu hohen Drehzahlen verbundener übermäßiger Lärmpegel vermieden wird.

Eine Drehzahlverringerung, eine Verringerung des Energieverbrauchs und eine Herabsetzung des. Lärmpegels, werden auch im Vergleich zu einem.. "Standard"-Motor erreicht, der einen Luftkissen-Rasenmäher antreibt.

Eine weitere Herabsetzung des Lärmpegels und eine weitergehende Energieeinsparung können dadurch erreicht werden, daß die elektronische Steuerung mit einer Vorrichtung ausgestattet wird, die eine Einstellung seitens des Benutzers gestattet,und die die Motordrehzahl verringert, wenn es die Umstände zulassen. Während der Sommermonate beispielsweise wächst der Rasen nicht so schnell, und daher wird nur ein "leichter" Schnitt benötigt; dieser erfolgt bei geringerer Motordrehzahl.

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In Figur 3 beziehen sich die Kurven C und D auf Drehzahl • beziehungsweise Drehmoment des Motors bei zwei unterschiedlichen verringerten Drehzahlen.

Die Kurven A, B, C und D in Figur 4 beziehen sich auf das Drehmoment des Motors in Bezug auf die in Watt gemessene Leistungsaufnahme. Die Kurve A repräsentiert einen herkömmlichen Reihenschluß-Kommutatormotor, der einen Luft-. kissen-Rasenmäher antreibt, der oben in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, und der der Kurve A in Figur 3 entspricht.

Die Kurven B, C. und D in Figur 4 sind Drehmoment/Leistungsaufnahme-Kennlinien des elektronisch gesteuerten Motors, wenn dieser derart gesteuert wird, daß seine Drehzahlen
den Kurven B, C bzw. D in Figur 3 entsprechen.

Man erkennt, daß im Fall der Kurven B, C und D im Vergleich zur Kurve A eine beträchtliche Verringerung der Leistungsaufnahme im unbelasteten oder im Niedriglast-Zustand erfolgt. Im Fall der Kurven C und D erstreckt sich die Energieeinsparung über einen beträchtlichen Bereich der Drehmomentwerte. .

In Verbindung mit den niedrigeren Drehzahlen ergibt sich ein weiterer Vorteil: Die Höhe, bei der der Rasenmäher von dem Luftkissen getragen wird, verringert sich etwas. Hierdurch wird ein kürzerer Schnitt erzielt.

Figur 5 ist ein Schaltbild einer elektronischen Steuerschaltung für den Rasenmähermotor. Mit der Schaltung lassen sich das oben beschriebene Verhalten des Motors und weitere Effekte erzielen.

Die Steuerschaltung enthält eine integrierte Schaltung
IC2 vom ULA-Typ mit einem Langsamstart-Rampengenerator,

einem Frequenz-Spannungs-Wandler, einem Regelverstärker, einem Triggerimpulsgenerator und einem Strombegrenzer. Die Motordrehzahl wird abhängig von von einem dem Motor zugeordneten Tachometer kommenden Signalen geregelt, über einem breiten Drehzahlbereich, beispielsweise über dem durch den horizontalen Anfangsabschnitt der Kurven B, C und D in Figur 3 gekennzeichneten Bereich wird die Drehzahl des Motors auf einem konstanten Wert gehalten.

Zweckmäßigerweise enthält der Tachometer eine Halleffekteinrichtung, die einen Impulszug erzeugt, dessen Frequenz proportional zur Motordrehzahl ist. Dieser Impulszug gelangt an den Frequenz-Spannungs-Wandler, der die von.dem Tachometer kommenden Signale in ein Gleichspannungssignal umwandelt, dessen. Amplitude proportional zur Frequenz der Tachometer-Ausgangsimpulse ist.

Das Ausgangssignal des Langsamstart-Rampengenerators wird mit dem Ausgangssignal des Frequenz-Spannungs-Wandlers durch den Regelverstärker verglichen. Dieser Verstärker liefert ein Ausgangssignal, welches die Zeiteinstellung

eines Triggerimpulsgenerators steuert. Dieser wird dazu verwendet, ein Triac CSR1 zu triggern und dadurch dessen Zündwinkel festzulegen. Der Triac liegt in Reihe mit dem Motor M zwischen Anschlüssen L und N.

Die integrierte Schaltung enthält weiterhin den an den Langsamstart-Rampengenerator angeschlossenen Strombegrenzer, um den von dem Rasenmäher aufgenommenen Strom auf einen Maximalstrom zu begrenzen. Wenn ein Strom aufgenommen wird, der stärker ist als ein voreingestellter Maximalwert, verringert der Strombegrenzer das Ausgangssignal des Langsamstart-Rampengenerators, und dadurch wird die Motorgeschwindigkeit herabgesetzt, so daß der Motorstrom abnimmt.

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Der Tachometer ist in Figur 5 schematisch als Block IC1 dargestellt. Das Bauelement enthält einen Magneten, bei .dem es sich um einen Stabmagneten oder einen Ringmagneten handelt, der auf einem scheibenähnlichen Gehäuse montiert ist, wobei die Magnetpole dem Scheibenumfang benachbart sind. Das Gehäuse ist an der Ankerwelle des Motors festgemacht, um sich mit der Welle zu drehen, und es kann neben dem Motor-Kommutator angeordnet sein. Dicht neben dem Gehäuse befindet sich ein Träger, der bezüglich des Rasenmähergehäuses befestigt ist. Der Träger besitzt etwa Tassenfarm, wobei sich die Scheibe innerhalb der Tasse dreht. Ein Halleffekt-Bauelement, beispielsweise das von der Firma Texas Instruments Inc. vertriebene Bauelement TL 170 CLP, ist auf der gekrümmten Wand des Trägers derart montiert, daß eine bestimmte radiale Lücke zwischen den Magnetpolen und dem Bauelement vorhanden ist, so daß das Ausgangssignal des Bauelements nicht von einer möglicherweise auftretenden Axialbewegung der Ankerwelle beeinflußt wird.

Das Halleffekt-Bauelement und die integrierte Schaltung IC2 werden von den Netzanschlüssen L und N über einen HaIbwellengleichrichter D1 und einen Spannungsabfall-Widerstand R8 gespeist, wobei ein Elektrolytkondensator C9 als Filter vorgesehen ist. Ein Widerstand R7 bildet zusammen mit in der Schaltung IC2 vorgesehenen Komponenten einen Nebenschluß-Stabilisator, um an IC2 und dem Halleffekt-Bauelement trotz Schwankungen der elektrischen Versorgungsspannung eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Ein zusätzlicher Elektrolytkondensator C8 bildet einen Energie·" speicher für den zum Zünden des Triacs CSR1 notwendigen Stromimpuls.

Die Steuerung der Drehzahl des Motors M erfolgt über ein Potentiometer RV1, das zwischen die Masseleitung und den Stift 8 des IC2 geschaltet ist. Der Schleiferarm des Po-

tentiometers RV1 kann von einem Knopf oder Hebel betätigt werden, der auf dem Gehäuse 2 angeordnet und in Figur 1 schematisch bei 7 angedeutet ist. Der Knopf oder Hebel besitzt vorzugsweise Raststellungen, von denen eine die 5 oben erwähnte höhere Drehzahl des Motors und die anderen die niedrigeren Drehzahlen auswählen. Selbstverständlich kann nach Wunsch lediglich eine Zwischenstellung vorgesehen sein. Der Knopf 7 besitzt eine Welle, die sich durch die oben erwähnte öffnung in dem abgestuften Abschnitt 42 der Oberwand 41 des Teils 40 des Gehäuses 2 erstreckt. Vorzugsweise weist die Welle eine Reihe elastischer Finger auf, die sich beim Durchgang durch die öffnung schließen, um anschließend in ihre Ausgangslage zurückzukehren, in der sie ein einfaches Herausziehen der Welle verhindern. Darüber hinaus ist das Wellenende derart geformt, daß es mit entsprechend ausgebildeten Oberflächenteilen der Welle des Potentiometers RV1 in nur einer Orientierungsrichtung des Knopfs in Eingriff kommt.

in der Schaltung gemäß Figur 5 beziehen sich die Stifte 1 und 4 des IC2 auf den Regelverstärker, und sie sind über einen Kondensator C3 verbunden, der als Integrator arbeitet.

Ein an den Stift 6 von IC2 angeschlossener Kondensator C4 bestimmt die Steigung des "Langsam"-Starts, das heißt die Beschleunigung des Motors, mit der dieser auf die durch Einstellen des an die Stifte 7 und 8 von IC2 angeschlossenen Potentiometers RV1 ausgewählte Geschwindigkeit be^- schleunigt.

Ein an den Stift 10 von IC2 angeschlossener Kondensator C5 bestimmt den Umwandlungsfaktor des Frequenz-Spannungs-Wandlers. Die Widerstand-Kondensator-Anordnung CI, R2 bildet eine Filterschaltung für das Ausgangssignal des Frequenz-Spannungs-Wandlers. Ein Kondensator C2 sorgt für

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eine zusätzliche Filterung.

Der Stift 12 von IC2 ist mit einem Kondensator C6 verbunden, der die Zeitsteuerrampe für den Triggerimpulsgenerator liefert. Die über einen Widerstand R 6 beziehungsweise R5 an Eingangsstifte 13 und 14 gelieferten Eingangssignale stellen Eingangssignale für die Spannungs-

• und Stromsynchronisation des Triggerimpulsgenerators dar.

Die Durchschnittsstrombegrenzung erfolgt durch IC2 auf der Grundlage eines Eingangssignals am Stift 18 von IC2, das über einen Widerstand R3 empfangen wird, während ein Kondensator C7 die Durchschnitts- oder Mittelwertbildung für dieses Eingangssignal übernimmt.

Eine Widerstands-Kondensator-Anordnung R9, C1O, die zu dem Triac CSR1 parallel geschaltet ist, begrenzt den Spannungsanstieg am Triac und verringert somit die Wahrscheinlichkeit einer Fehltriggerung, wenn der Triac aus-

schaltet. ·

Die Werte der einzelnen Bauelemente sind in Figur 5 angegeben.

Die elektronische Steuerschaltung kann zweckmäßigerweise in dem Gehäuse 2 untergebracht und derart angeordnet werden, daß sie durch einen Luftstrom gekühlt wird, beispielsweise durch saubere Luft, die an dem Motor zu dessen Kühlung vorbeistreicht.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Aufbau sind die integrierte Schaltung IC2 und die dazugehörigen diskreten Bauelemente auf einer gedruckten Schaltungstafel angeordnet, die ein Modul 28 bildet. Der dem Tachometer zugeordnete Halleffektsensor 45 ist auf einer Erweiterung des Moduls 28 montiert, während die Drehmagnetanordnung schematisch

bei 46 angedeutet ist.

Man sieht, daß es sich bei der Mähmaschine alternativ um eine fahrende beziehungsweise gefahrene Maschine handeln kann, das heißt um eine Maschine mit einem mit Rädern ausgestatteten Chassis, das eine um eine vertikale Achse eines Elektromotors drehbare Schneidklinge trägt. Außerdem kann es sich um einen Walzenmäher handeln. Die Mähmaschine kann auch derart konstruiert sein, daß als Schneidelement ein Stück Faden verwendet wird, oder daß mehrere. Schneid-

vorrichtungen verwendet werden, die schwenkbar an einem . j Träger befestigt sind, der als Antriebsvorrichtung von

dem Motor gedreht wird.

Claims

BLUMBACH . WE3ER". B0ERGEIM · KRAlVlER ZWiRNER . HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsull RadeckestraOe 43 8000 München 60 Telelon (089) 883603/883604 Telex 05-212 513 Telegrarnmo Patentconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186 237 Telegramme Palonlconsull BLACK & DECKER INC. 10-114 Newark, Delaware 19711, USA Dr/sc Mähmaschine, insbesondere Rasenmäher Patentansprüche

1. Von einem Elektromotor (15) angetriebene Mähmaschine, . insbesondere Rasenmäher, mit einer elektronischen Schaltung zum Steuern der Motordrehzahl, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung (Figur 5) die Motordrehzahl im unbelasteten Zustand begrenzt, um innerhalb vorgegebener Grenzen der Motorbelastung eine konstante Drehzahl einzustellen, und um wenigstens eine weitere Motordrehzahl einzustellen, die sich von der erwähnten konstanten Drehzahl unterscheidet, und die ebenfalls innerhalb vorgegebener Grenzen der Motorbelastung konstant ist.

2. Mähmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die elektronische Schaltung ein Modul enthält, das in einem den Motor (15) aufnehmenden Gehäuse

(2) an einer Stelle montiert ist, an der es einem Kühlungsluftstrom ausgesetzt ist«.

München: R. Kramer Dlpl.-lng. . W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. nai. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P.Bergen Prof.Dr.Jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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3. Mähmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Kühlungsluftstrom durch ein von dem Motor (15) gedrehtes Ventilatorrad (43) erzeugt wird, welches beim Betrieb ausserdem ein Luftkissen er-

5 zeugt, das die Mähmaschine trägt.

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