Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Drehflügelantrieb für Schwenkflügel von Türen oder dergleichen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein elektromechanischer Antrieb für Schwenkflügel von Türen oder dergleichen ist beispielsweise aus der DE 32 02 930 C2 bekannt geworden und umfaßt einen Elektromotor mit einem in Axialrichtung zur Elektromotor-Achse angeordneten und mit dem Elektromotor-Gehäuse fest verbundenen Planetengetriebe. Daran schließt sich ein Kegelrad-Übersetzungsgetriebe mit zwei gegenüber liegenden freien Enden einer Abtriebwelle an. Dadurch kann die gesamte Baueinheit sowohl zur Steuerung eines linken oder rechten Türflügels ohne weitere Umpolmaßnahmen verwandt werden. Dazu ist die gesamte Anordnung im Gehäuse symmetrisch zu einer Mittellängsebene ausgebildet, wobei die Welle des Elektromotors bzw. die dazu identische Längsachse des Planetengetriebes die Achse der Abtriebswelle etwa in deren Mitte durchsetzen.
Bei Stromausfall soll als weitere Sicherungsmaßnahme ein Rückstellfederaggregat vorzugsweise in Form einer Spiralfeder vorgesehen sein, welches stets an dem zu einem für das Öffnen und Schließen des Flügels benötigten Gestänge gegenüberliegenden Ende der Abtriebswelle sitzt und sich einmal an der Abtriebswelle selbst und zum anderen am Gehäuse abstützt.
Um während des Schließ- oder Öffnungsvorganges eine gewisse Optimierung zu ermöglichen, sind zwei Nockenscheiben vorgesehen, worüber die Elektrospannung für den Elektromotor mit einer der jeweiligen Bewegungsrichtung entgegenwirkenden Spannung beaufschlagbar ist. Dadurch soll vor allem das Abbremsen der Tür vor Erreichen der geöffneten bzw. geschlossenen Extremstellung bewirkt werden. Ansonsten ist nur vorgesehen, daß der Elektromotor zur Beschleunigung des Flügels aus einer Endlage (Schließ-, Offenstellung) heraus mit hoher Spannung entsprechend der Polarität und beim Einschwenken des Flügels in die andere Endlage mit einer geringeren Spannung beaufschlagbar ist.
Der bekannte elektromechanische Antrieb weist aber den Nachteil auf, daß einmal die vorgesehene Spiralfeder ausreichend stark dimensioniert sein müßte, um in angemessener Zeit die Schließbewegung durchführen zu können. Andererseits wird dadurch aber die Tür fast schlagartig mit hoher Geschwindigkeit zugestoßen, was nicht nur überraschend und völlig ungewohnt, sondern u, U. auch gefährlich sein kann. Besonders nachteilhaft ist jedoch, daß die Schließbewegung der Tür während des Schließvorganges selbst mit sich stark ändernder Kraft vollzogen wird. Damit ist die Schließ-Kinematik stark unterschiedlich, verglichen mit herkömmlichen bekannten hydraulischen Türschließern, die bekanntermaßen eine Tür weitgehend gleichmäßig schließen können.
Schließlich weist die gesamte Motorsteuerung Nachteile auf, weil hier eine Anpassung an spezifische Bedürfnisse nicht möglich ist.
Die GB-A-2,206,926 offenbart ebenfalls einen Drehflügelantrieb, der eine großdimensionierte, vorzugsweise koexzentrisch zu einer Rotor-/Stator-Anordnung angeordnete Schraubenfeder aufweist. Das eine Ende der Schraubenfeder ist gehäusefest abgestützt, wohingegen das gegenüberliegende Ende der Schraubenfeder mit der mit der Drehflügeltür gekoppelten Abtriebswelle der Antriebseinheit verbunden ist. Das Öffnen der Tür erfolgt entgegen der Kraft dieser Schraubenfeder. Durch den vorbekannten Antrieb soll in der Schließphase der Tür die Energie des Federelementes, welche die für die gewünschte Schließbewegung der Tür benötigte Rückstellkraft des Federelementes übersteigt, durch gleichzeitiges Abbremsen der Schließbewegung der Tür während des Hauptteils der Schließbewegung zurückgewonnen werden. Wenn die Tür nur noch ein bißchen offen ist, vorzugsweise weniger als 5°, wird ein endgültiges Zuziehen der Tür durch die Ausnützung der zurückgewonnenen Energie bewerkstelligt, um das Schließen der Tür sicherzustellen. Dazu ist der Drehflügelantrieb mit einem Rotor, einem Stator und einem Energiespeicher versehen, wobei der Elektromotor wahlweise je nach Bedarf als Generator bzw. Elektromotor dient und arbeitet. Aus der Beschreibung, wie insbesondere aus der Figur 1 dieser Vorveröffentlichung ist zu entnehmen, daß das in Figur 1 dargestellte und auf die Tür einwirkende Torsionsmoment bei Erreichen der maximalen Öffnungsstellung der Tür über mehr als das 6fache stärker ist als zu Beginn des Öffnungsweges der Tür. Dies hat aber zur Folge, daß insbesondere zu Beginn der Schließbewegung der Tür die Tür mit enorm großen Rückstellkräften in die Schließstellung bewegt wird, wobei die Schließbewegung der Tür während des Schließvorganges selbst mit sich stark ändernder Kraft vollzogen wird. Dies bedingt nicht nur eine andere Schließ-Kinematik, sondern vor allem im Falle eines Stromausfalles auch eine gegenüber herkömmlichen hydraulischen Türschließern völlig andere Öffnungs-Kinematik, da sich die beim Öffnen des Drehflügels benötigten Öffnungskräfte über den gesamten Öffnungsbereich stark ändern, d.h. enorm stark zunehmen.
Bei einem aus der US-A-3,237,932 bekannten Türöffnungsmechanismus ist ebenfalls die Antriebsachse des Elektromotors in Gehäuselängsrichtung ausgerichtet. Die Getriebeübersetzung von der Kupplungs-Ausgangswelle zur Schaftwelle erfolgt vergleichsweise aufwendig unter Verwendung eines Kugelspindel- und eines Zahnstangenantriebes. Eine Rückstellfedereinrichtung ist im Gehäuse in Axialrichtung liegend seitlich neben den Antriebs-Übertragungsgliedern einschließlich des Zahnstangenantriebes und der sonstigen Zahnräder eingebaut, und zwar in Axialrichtung zum Elektromotor versetzt liegend. Die Rückstellfeder ist dabei vergleichsweise klein dimensioniert.
Beim Schließen der Tür wird der Generator kurzgeschlossen, um eine magnetische Gegenkraft zur Erzielung einer Bremswirkung zu erzeugen, um die Schließgeschwindigkeit der Tür zu beeinflussen.
Aber auch diese Ausführungsform bedingt, daß sich beim Öffnen einer Drehflügeltür die benötigten Öffnungskräfte über den gesamten Öffnungsbereich stark ändern, d.h. stark zunehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik einen verbesserten elektromechanischen Drehflügelantrieb zu schaffen, der einen konvortableren Öffnungs- und Schließvorgang ermöglicht. Inbesondere bei Stromausfall soll der Drehflügelantrieb eine zu den bekannten hydraulischen Türschließern ähnliche Schließ-Kinematik aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 bzw. 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die vorliegende Erfindung wird auf verblüffend einfache Weise ein deutlicher technischer Fortschritt erzielt. Dabei kann es als durchaus überraschend bezeichnet werden, daß eine dem herkömmlichen Schließvorgang vergleichbare Schließ-Kinematik selbst bei Stromausfall durch die vorliegende Erfindung erzielbar ist.
Erfindunbsgemäß ist dazu eine Schraubenfeder vorgesehen, die entsprechend groß dimensioniert sein kann und die in einer bevorzugten Ausführungsform um den elektrischen Antriebsmotor und das stirnseitig sich daran mit gleicher Zentralachse anschließende Planetengetriebe herum angeordnet ist. D.h., die Spiralfeder umgibt in einer bevorzugten Ausführungsform den elektrischen Motor mit dem sich stirnseitig anschließenden, vorzugsweise in Form eines Planetengetriebes gebildete Getriebeeinheit. Dadurch wird kein größerer Raumbedarf oder eine größere Gehäusebox benötigt.
Ferner ist vorgesehen, daß bei Stromausfall der Elektromotor kurzgeschlossen wird, wodurch eine Generatorwirkung erzeugt wird.
Durch beide Maßnahmen wird einerseits gewährleistet, daß der Kennlinienverlauf der Federeinrichtung während des Schließvorganges praktisch unverändert bleibt, also nicht den großen Unterschieden wie beim Stand der Technik unterworfen ist, und daß zudem durch die Zuschaltung des als Generator wirkenden kurzgeschlossenen Elektromotors beispielsweise ein Türflügel beim stromlosen Schließen derart gedämpft wird, daß die Schließbewegung ähnlich wie bei einem hydraulischen Türschließer durchgeführt wird.
D.h., trotz eines kraftvollen Schließvorganges erfolgt dieser ruhig und gedämpft.
Bevorzugt ist die Schraubenfeder so groß dimensioniert, d.h. die weist einen so großen Durchmesser und so viele Windungen auf, daß die Zunahme des Federmoments beim Türöffnen, also während des gesamten maximalen Verstellweges den Wert von 50 % nicht übersteigt, bevorzugt sogar weniger als 40 %, 30 %, 25 % oder gar nur 20 % oder 10 % aufweist.
Bevorzugt stützt sich die Schraubenfeder an einem an der Ausgangswelle des Planetengetriebes sitzenden Mitnehmer und auf der rückwärtigen Seite auf einer gehäusefesten Abstützscheibe ab. Die gehäusefeste Abstützscheibe kann durch geeignete Maßnahmen voreinstellbar sein, um die Vorspannkraft der Schraubenfeder einstellen bzw. verändern zu können.
Um überhaupt einen verbesserten und sehr viel komfortableren Öffnungs- und Schließvorgang sicherzustellen, wird eine Vier-Quadranten-Steuerung für den Elektromotor verwandt. D.h., sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung kann der Elektromotor im Hinblick auf das gewünschte Drehmoment als auch die Drehzahl unterschiedlich vorwählbar einstellbar oder ansteuerbar sein.
Dazu wird bevorzugt auf der rückwärtigen Seite des elektromotorischen Antriebes ein Positionsgeber vorgesehen, der in einer bevorzugten Ausführungsform nicht nur aus einer, sondern vor allem aus zwei nebeneinander sitzenden Lichtschranken bestehen kann. Dadurch kann nicht nur die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle des Elektromotors, sondern vor allem auch die Drehrichtung erkannt und eine entsprechende Motoransteuerung vorgenommen werden. Auch diese spezifische Ausbildung und die bevorzugte Anordnung des Positionsgebers auf der rückwärtigen Seite des Elektromotors führt praktisch zu keiner Vergrößerung der Gehäuseabdekkung.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus dem anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigen im einzelnen:
In den Figuren ist der elektromechanische Drehflügelantrieb gezeigt, und zwar mit einem Gehäuse 1, welches in der Regel eine abnehmbare Gehäusekappe und einen Gehäuseboden umfaßt, zwei seitlichen Schaltern 3 für die Inbetriebnahme der Anordnung, einer im Inneren untergebrachten Steuerung und Elektronik 5, beispielsweise mit weiteren Schalteinheiten 7 und einem Netzteil 9. Die vorstehend genannten Bauteile sind alle zu einem etwa in der Mitte des Gehäuses 1 liegenden Abtriebswelle 11 angeordnet, die in Querrichtung zur Gehäuselängsachse liegt und die ein oberes und unteres freies Koppelende 13 aufweist, worüber ein vorgesehenes Gestänge zum Öffnen und Schließen der Tür ankoppelbar ist. Beim Öffnen eines linken oder rechten Flügels kann die Anordnung jeweils symmetrisch um 180° so verdreht angeordnet werden, daß bei ansonstem gleichen Drehrichtungsantrieb einmal das in der Zeichnung oben wie unten liegende freie Koppelende 13 jeweils nach unten weist, um hier das erwähnte Gestänge zum Öffnen und Schließen beispielsweise einer Drehtür zu befestigen.
Beim Ausführungsbeispiel in der Figur 1 rechtsliegend ist der Elektromotor 15 und mit gleicher Zentralachse sich stirnseitig in Richtung der Abtriebswelle 11 anschließend ein Übersetzungsgetriebe, bevorzugt ein Planetengetriebe 17 vorgesehen. Die aus dem Planetengetriebe 17 austretende Zwischenwelle 19 ist mit einem ersten Kegelrad 21 gekoppelt, welches mit einem weiteren Kegelrad 23 kämmt, welches auf der Abtriebswelle 11 sitzt.
Durch das verwandte Getriebe 17 wie aber auch durch die unterschiedliche Größe der Kegelräder 21 und 23 des Kegelradgetriebes 22 kann insgesamt eine Übersetzung von der Drehzahl der nicht näher dargestellten Motorwelle bis hin zur Abtriebswelle von beispielsweise 1:50 bis 1:150, insbesondere im Bereich von 1:70 bis 1:120, vorzugsweise in einem Bereich von 1: 80 bis 1:100, also um 1:90 erzielt werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit gemeinsamer Zentralachse um den Elektromotor 15 und das sich anschließende Planetengetriebe 17 herum eine Schraubenfeder 25 mit entsprechendem Federdurchmesser und Länge und einer entsprechend großen Vielzahl von Windungen gelegt. Die Schraubenfeder 25 stützt sich an ihrem rückwärtigen, in der Figur 1 rechtsliegenden Ende an einer letztlich gehäusefest abgestützten Abstützscheibe 27 und an ihrem abtriebswellenseitigen Ende an einer Mitnehmerscheibe 29. Die Enden der Schraubenfeder 25 sind dazu mit einem Einhängabschnitt 31 versehen, der an entsprechenden Verankerungsstellen an der Abstützscheibe 27 bzw. der Mitnehmerscheibe 29 eingehängt werden können.
Wie insbesondere aus Figur 2 hervorgeht, ist auf der rückwärtigen Seite die Motor-/Getriebe-Einheit 15, 17 über einen beispielsweise L-förmigen Träger 33 gegenüber dem Gehäuseboden abgestützt und gehalten. Daran schließt sich abtriebsseitig die erwähnte Abstützscheibe 27 an, die mit einer Zentralbohrung zur Aufnahme des Elektromotor-Gehäuses 15′ versehen ist bzw. sein kann.
Die Abstützscheibe 27 kann beispielsweise durch mehrere in Umfangsrichtung zur Zentralachse des Elektromotors versetzt liegende und sich an der parallelen Wand des L-förmigen Trägers 33 abstützende Schrauben gehalten werden. Nach Lösen der Schrauben kann beispielsweise die Abstützscheibe 27 in Umfangsrichtung verdreht und damit die Schraubenfeder entsprechend der gewünschten Charakteristik vorgespannt werden. Danach werden die in Axialrichtung liegenden und in den Zeichnungen nicht dargestellten Schrauben wieder eingedreht.
Wie in Figur 3 schematisch dargestellt ist, ist ferner noch ein Schalter oder Relais 37 oder eine andere geeignete Unterbrechungsmaßnahme vorgesehen. Im stromlosen Zustand wird dabei automatisch der Elektromotor 15 kurzgeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel ist auf der zum Planetengetriebe 17 gegenüberliegenden Seite des Elektromotors 15 an einem überstehenden Achsstummel 39 ein Positionsgeber 41 vorgesehen. Dieser umfaßt dazu eine Positionsscheibe 43, die mit einem geschlitzten Umlaufrand 45 mit Schlitzen 47 versehen ist. Wie aus der vergrößerten schematischen Detaildarstellung gemäß Figur 4 hervorgeht, sind bevorzugt zwei Lichtschranken 49 so angeordnet, daß der Lichtstrahl auf den mit der Welle des Elektromotors mitdrehenden Umlaufrand 45 fällt. Kommt jeweils einer der in gleichen Abständen im Umlaufrand 45 eingebrachten Schlitze 47 in den Bereich des Lichtstrahles, so wird dieser durchgelassen und kann von dem in der Lichtschranke 49 integrierten Lichtdetektor, in der Regel einer Fotodiode empfangen werden. Durch eine entsprechende CPU können in digitaler Weise die Signale so ausgewertet werden, daß hierüber stets eine exakte Verdrehstellung des Elektromotors und damit letztlich trotz der Gesamtübersetzung exakt die Stellung eines Drehflügels festgestellt werden kann. Dadurch, daß zwei Lichtschranken 49 nebeneinander angeordnet werden, kann nicht nur die exakte Stellung des Drehflügels, sondern vor allem auch die Drehrichtung erkannt und in der elektrischen Steuereinheit CPU (Figur 3) verarbeitet werden.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, durch Verwendung einer entsprechenden, bevorzugt digitalisierten Elektronik jeden beliebigen Türöffnungs- und Türschließvorgang durchzuführen, und zwar entsprechend einer vorgebbaren Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit mit entsprechend vorwählbaren Öffnungs- und Schließmomenten, wobei die Kurve beliebig voreinstellbar ist. Durch den Positionsgeber 41 kann stets von der spezifischen Stellung her gezielt die Steuerung durchgeführt werden. Mit dieser Anordnung kann eine sog. 4-Quadranten-Endstufe zum Einsatz kommen, was also bedeutet, daß sowohl die Winkelgeschwindigkeit als auch das Drehmoment sowohl beim Öffnen als auch Schließen des Drehflügels beliebig steuerbar ist.
Die in Figur 4 dargestellten Positionsgeber 41 sind in der Darstellung gemäß Figur 1 und 2 der Deutlichkeit halber weggelassen worden.
Bei Ausfall der Anordnung ist die Funktionsweise derart, daß dann stets über den erwähnten Schalter oder Relais 37 der Elektromotor 15 kurzgeschlossen ist und als Generator wirkt. Darüber hinaus wirkt auf die Abtriebswelle 11 die Vorspannkraft der Schraubenfeder 25, die so gewählt ist, daß die Kraft zum Öffnen der Tür in der Regel 80 N, bevorzugt 70 oder gar 60 N nicht übersteigen soll. Nach dem Loslassen der Tür wird dann über die entsprechend groß dimensionierte Schraubenfeder der Rückschließvorgang eingeleitet, wobei der kurzgeschlossene Motor als Generator wirkt und damit den Türschließ-Vorgang deutlich dämpft, so daß die Tür ähnlich schließt, wie man es von einem hydraulischen Türschließer gewohnt ist.
Das Federmoment der Schraubenfeder 15 sollte dabei bevorzugt so gewählt werden, daß die Zunahme des Federmoments beim Türöffnen auf keinen Fall 100 %, bevorzugt jedoch weniger als 80 %, 75 %, 60 % oder maximal 50 % beträgt. Schließlich kann die Schraubenfeder 15 auch so dimensioniert werden, daß die Zunahme des Federmoments beispielsweise unter 40 % oder gar 30 % liegt. Ein besonders günstiges Federmoment unter optimaler Raumausnützung ergibt sich dann, wenn der Materialquerschnitt der Schraubenfeder rechteckförmig, d.h. zumindest allgemein polygonalförmig gewählt wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Materialquerschnitt einen Durchmesser bis zur Kantenlänge zwischen bevorzugt 5 mm bis 10 mm, insbesondere 6 mm bis 8 mm, vorzugsweise um 7 mm auf.