-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
einer Kontaktfeder einer Kontaktanordnung für lösbare
Steckverbindungen und/oder elektrische Schalter, insbesondere Leistungs-,
Trenn- oder Erdschalter im Starkstrombereich, insbesondere im Mittel-
oder Hochspannungsbereich.
-
Üblicherweise
wird, wie in
1 zum Stand der Technik gezeigt,
als Kontaktfeder
1 eine Ringfeder aus Kupferlegierungen
mit schräg gestellten Windungen W zur Stromübertragung
in Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen eingesetzt. Dabei ist die
Kontaktfeder
1 auf einen Kontaktbolzen
2 aufgesetzt
und von einem mit einer Kontaktnut
3 zur Aufnahme der Kontaktfeder
1 versehenen
Kontaktring
4 umgeben. Eine derartige Kontaktfeder ist
beispielsweise aus der
DE
195 28 126 A1 bekannt.
-
Im
bestimmungsgemäßen Gebrauch werden derartige Kontaktfedern
hohen Dauerstrombelastungen von 2500 A und im Kurzschlussfall von
beispielsweise 40 kA bis zu drei Sekunden lang ausgesetzt. Durch
die hohen elektrischen Ströme werden die Kontaktfedern
sowohl mit hohen Temperaturen als auch mit hohen Kräften
belastet. Dabei hat sich gezeigt, dass die geforderte Lebens- oder
Betriebszeit derartiger Kontaktfedern durch derart hohe Belastungen,
d. h. Dauerstrom- oder Kurzschlussbelastungen, begrenzt ist, da
die Kontaktfedern unter diesen Belastungen sowohl ihre Form als
auch ihre Federkraft verlieren. Insbesondere kommt es aufgrund der hohen
Temperaturen zu Relaxationen, d. h. zu einem Schrumpfen des äußeren
und inneren Durchmessers der Kontaktfeder.
-
Darüber
hinaus weisen die Kontaktfedern eine vorgegebene individuelle Form
auf, wie dies in 2 zum Stand der Technik gezeigt
ist. So ist die Kontaktfeder 1 aus einer Spiral feder mit
einer vorgebbaren Anzahl von Windungen W gebildet, wobei die Windungen
W eine erforderliche Schrägstellung mit einem vorgebbaren
Winkel aufweisen. Zudem weist die jeweils einzelne Windung W eine
weitgehend elliptische Form auf. Die Schrägstellung der Windungen
W wird durch eine schmale und eine breitere elliptische Windungshälfte
W1 bzw. W2 erzielt, wie dies in 2 im Detail
gezeigt ist. Herkömmliche Federfertigungsmaschinen sind
für derartige Federformen mit einer geforderten Schrägstellung
und einer elliptischen Windungsform begrenzt einsetzbar. So werden
die Windungshälften W1 und W2, d. h. die von einer Windungshälfte
W1 zur nächsten Windungshälfte W2 wechselnde Geometrie,
in zwei unterschiedlichen Ellipsen erzeugt. Dabei muss die elliptische
Form zwingend ein- bzw. beibehalten werden, da eine Abweichung eine
Veränderung der Federkräfte bewirken würde. Üblicherweise
werden die Schrägstellung der Windungen W und die elliptische Form
durch Wickeln der Feder auf speziellen Wicklungseinrichtungen erzeugt.
Dies ist in der Herstellung besonders zeit- und kostenaufwändig.
Darüber hinaus verlieren heutige, herkömmliche
Kontaktfedern unter thermischer und mechanischer Belastung die geforderte
Schrägstellung und elliptische Form, so dass ihre Lebensdauer
deutlich begrenzt oder reduziert ist.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Herstellung einer Kontaktfeder anzugeben, welche
eine gegenüber thermischer und mechanischer Belastung stabile
und feste Kontaktfeder erzeugt.
-
Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung
wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im
Anspruch 12 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer
Kontaktfeder einer Kontaktanordnung für einen elektrischen
Schalter werden die Enden einer spiralförmigen und eine
Anzahl von Windungen aufweisenden Druckfeder zu einer Ringfeder mit
einem vorgebbaren äußeren Ringdurchmesser und
inneren Ringdurchmesser stoff-, form- und/oder kraftschlüssig
miteinander verbunden. Anschließend werden die Windungen
der Ringfeder mechanisch verschränkt, insbesondere verdreht
und wobei nachfolgend die Ringfeder mit den verschränkten
Windungen in einer vorgebbaren Anzahl von Wärmebehandlungsschritten
mit je Wärmebehandlungsschritt abnehmender Wärmebehandlungstemperatur
und zunehmender Wärmebehandlungsdauer ausgehärtet wird.
-
Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass anstelle der herkömmlichen komplexen Formgebung durch
spezielle Wicklungsverfahren eine herkömmliche Spiralfeder verwendet
wird, die in einfacher Art und Weise stoff- und kraftschlüssig
verbunden sowie anschließend mechanisch geformt und thermisch
behandelt wird. Insbesondere durch die mehrstufige thermische Behandlung
der aus der herkömmlichen Druckfeder mechanisch geformten
Ringfeder mit Verschränkungen werden das heutige Schrumpfen
aufgrund von Relaxationseigenschaften der Kontaktfeder und der damit
verbundene Verlust an Federkraft sicher vermieden.
-
In
einer möglichen Ausführungsform wird die Ringfeder
mit verschränkten Windungen in einem ersten Wärmebehandlungsschritt
abhängig vom Federmaterial beispielsweise bei einer Wärmebehandlungstemperatur
von 300°C bis 600°C mit einer Wärmebehandlungsdauer
von 1 h bis 4 h ausgehärtet. In einem weiteren Wärmebehandlungsschritt
wird die Ringfeder nachfolgend vorzugsweise bei einer Wärmebehandlungstemperatur
von 120°C bis 200°C mit einer Wärmebehandlungsdauer
von 20 h bis 36 h ausgehärtet. Dabei dient der erste Wärmebehandlungsschritt
mit hohen Wärmebehandlungstemperaturen und kurzer Wärmebehandlungsdauer
insbesondere dem Aushärten des Federmaterials der Ringfeder
und somit der Erzielung einer gegenüber mechanischen und
thermischen Beanspruchungen weitgehend festen Ringfeder. Der oder
die weiteren Wärmebehandlungsschritte dienen insbesondere
einem gewollten Schrumpfen der Ringfeder von einem gegenüber
dem vorgebbaren Endmaß der Kontaktfeder größeren
Ausgangsmaß (auch Übermaß bezeichnet)
auf ein Zwischenmaß bzw. Endmaß, wobei die Ringfeder
im letzten Wärmebehandlungsschritt durch eine lange Wärmebehandlungsdauer
bei niedrigeren Wärmebehandlungstemperaturen auf das Endmaß der
Kontaktfeder geschrumpft wird. Zur Stützung und Erzielung
der Endform der Kontaktfeder wird die Ringfeder während
des jeweiligen Wärmebehandlungsschritts in eine zugehörige
Form gebracht, wobei die Abmessungen der Formen je Wärmebehandlungsschritt
reduziert werden. Dabei weist insbesondere die Form des letzten
Wärmebehandlungsschrittes weitgehend die Endform der Kontaktfeder
entsprechende Abmessungen auf. Durch die schrittweise durchgeführte
Wärmebehandlung erhält die Kontaktfeder dauerhaft
auch unter hohen mechanischen und thermischen Belastungen ihre mechanischen
und elektrischen Eigenschaften. Je nach Federmaterial, z. B. Kupfer
oder Kupferlegierung, können die Anzahl der Wärmebehandlungsschritte,
die Wärmebehandlungstemperaturen und/oder die Warmebehandlungsdauer
sowie die Abmessungen der jeweiligen Form variieren.
-
Zum
Verschränken der Windungen wird die Ringfeder zweckmäßigerweise
in eine geeignete erste Form gebracht. Dabei weist die erste Form
einen ersten zylinder- oder bolzenförmigen Dorn auf, auf welchen
die Ringfeder aufgesetzt wird. Anschließend wird auf die
Ringfeder außen eine erste Hülse gesetzt. Durch
Drehen der auf die Ringfeder außen aufgesetzten und den
Außenumfang der Ringfeder umgebenden ersten Hülse
werden dann die Windungen mit einem vorgebbaren Winkel verschränkt.
Die Abmessungen der ersten Form weisen gegenüber dem Endmaß der
Kontaktfeder ein Übermaß auf, d. h. der Dorndurchmesser
(= Außendurchmesser) des ersten Dorns ist größer
als der Innendurchmesser der endgültigen Kontaktfeder und
der Hülsendurchmesser (= Innendurchmesser) der ersten Hülse
ist größer als der Außendurchmesser der
endgültigen Kontaktfeder. Während des ersten Wärmebehandlungsschritts verbleibt
dabei die mechanisch geformte Ringfeder mit den verschränkten
Windungen in der ersten Form.
-
Zur
Erzielung der Endform der Kontaktfeder durch thermisches Schrumpfen
wird die Ringfeder anschließend in mindestens einem weiteren
Wärmebehandlungsschritt auf einen weiteren Dorn aufgesetzt
und von einer weiteren Hülse umgeben, wobei der weitere
Dorn und die weitere Hülse gegenüber vorgebbaren
Endmaßen der Kontaktfeder weitgehend gleiche Abmessungen
aufweisen. Insbesondere entspricht der Dorndurchmesser des weiteren Dorns
in etwa dem Innendurchmesser der Kontaktfeder und der Hülsendurchmesser
der weiteren Hülse in etwa dem Außendurchmesser
der Kontaktfeder. Je nach Federmaterial können weitere
Wärmebehandlungsschritte mit zugehörigen vorgebbaren
Formen, Wärmebehandlungstemperaturen und/oder Wärmebehandlungsdauern
vorgesehen sein, wobei die Form des letzten Wärmebehandlungsschritts
in etwa der Form der Kontaktfeder entspricht.
-
Je
nach Verwendung der Kontaktfeder kann die auf die Endmaße
der Kontaktfeder durch Aushärtung geschrumpfte Ringfeder
beschichtet werden. Bei einem Einsatz als elektrische Kontaktfeder
in einem Erd- oder Trennschalter einer Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage
wird die ausgehärtete Ringfeder zweckmäßigerweise
versilbert.
-
Zweckmäßigerweise
wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung der mechanisch und thermisch stabilen
Kontaktfeder eine herkömmliche spiralförmige Druckfeder
aus einer vorgebbaren Kupferlegierung oder aus Kupfer verwendet.
Hierdurch ist die Herstellung einfach und kostengünstig.
Aufwändige Wicklungsfertigungseinrichtungen können
entfallen.
-
Hinsichtlich
der Vorrichtung zur Herstellung der Kontaktfeder umfasst diese eine
erste Form mit einem ersten Dorn, auf welchen eine durch stoff-, form-
und/oder kraftschlüssiges Verbinden von Enden einer spiralförmigen
und eine Anzahl von Windungen aufweisenden Druckfeder gebildete
Ringfeder mit einem vorgebbaren äußeren Ringdurchmesser
und inneren Ring durchmesser aufsetzbar ist, und mit einer ersten
Hülse, welche die Ringfeder umgibt und welche durch Drehen
die Windungen der Ringfeder mechanisch verschränkt, wobei
die Ringfeder mit verschränkten Windungen zumindest in
einem ersten Wärmebehandlungsschritt auf dem ersten Dorn
aufgesetzt von der ersten Hülse umgeben bleibt. Die Ringfeder
mit verschränkten Windungen ist in einem weiteren Wärmebehandlungsschritt
in eine weitere Form einsetzbar, insbesondere auf einen weiteren Dorn
aufgesetzt und von einer weiteren Hülse umgeben. Dabei
weisen die Formen der nachfolgenden Wärmebehandlungsschritte
kleinere Abmessungen auf, als die Form des ersten oder des jeweils
vorausgegangenen Wärmebehandlungsschritts. Insbesondere
weist der erste Dorn und die erste Hülse gegenüber
dem weiteren Dorn und der weiteren Hülse größere
Abmessungen auf, wobei der oder die dem letzten Wärmebehandlungsschritt
zugehörige Dorn bzw. zugehörige Hülse
Abmessungen aufweisen, die den Endmaßen der Kontaktfeder
weitgehend entsprechen.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
-
1 schematisch
eine Kontaktfeder für einen Steckkontakt im Stand der Technik,
-
2 schematisch
eine Windung einer herkömmlich hergestellten Kontaktfeder
im Stand der Technik,
-
3 schematisch
eine spiralförmige Druckfeder,
-
4 schematisch
eine an den Enden stoff- und kraftschlüssig zu einer Ringfeder
verbundene Druckfeder gemäß 3,
-
5 schematisch
die Ringfeder im Bereich der miteinander gefügten Enden,
-
6 schematisch
in perspektivischer Darstellung eine Form zur Aufnahme der Ringfeder
gemäß 4 zur mechanischen Formgebung
der Ringfeder,
-
7 schematisch
eine mechanisch geformte Ringfeder mit verschränkten Windungen,
-
8 schematisch
eine mechanisch geformte Ringfeder mit ineinander verdrehten Windungen,
und
-
9 schematisch
die Ringfeder gemäß 6 mit durch
thermische Aushärtung und Behandlung geschrumpften Abmessungen.
-
Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
3 zeigt
schematisch eine herkömmliche spiralförmige Druckfeder 5,
die beispielsweise aus Kupfer oder eine Kupferlegierung gebildet
ist. Die Druckfeder 5 ist eine in einer herkömmlichen
Fertigungsmaschine gefertigte Feder.
-
Zur
Herstellung einer gegenüber hohen thermischen und mechanischen
Beanspruchungen stabilen Kontaktfeder 1 wird als Ausgangsmaterial
die herkömmliche Druckfeder 5, wie sie in 3 dargestellt ist,
verwendet, deren Enden in einem ersten Herstellungsschritt zu einer
Ringfeder 6, wie sie in 4 dargestellt
ist, stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden.
Beispielsweise werden die Enden gelötet, geschweißt,
gewunden oder in einer anderen geeigneten Art und Weise miteinander
verbunden. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für eine form- und kraftschlüssige Verbindung
V der Enden der Druckfeder 5 zu einer Ringfeder 6.
Dabei sind die Enden der Druckfeder 5 durch Ineinanderhaken
oder -verdrehen form- und kraftschlüssig miteinander verbunden.
-
Durch
die Verwendung einer herkömmlich gefertigten Druckfeder 5 und
die nachfolgend beschriebenen Herstellungsschritte zur Erzielung
einer vorgebbaren Endform der Kontaktfeder 1 mit Schrägstellung
der Windungen W und einer weitgehend elliptischen Form der einzelnen
Windungen W sind die aus dem Stand der Technik bekannten aufwändigen Wicklungsmaschinen
für ein separates Wickeln von Wicklungshälften
sicher vermieden.
-
Im
Detail wird eine Druckfeder 5 mit einer derartigen Längenabmessung
verwendet, die eine Ringfeder 6 bildet, deren Abmessungen
größer als die Abmessungen der Endform der Kontakt feder 1 sind.
Insbesondere sind der äußere und innere Ringdurchmesser
Da bzw. Di größer als der Außen- und Innendurchmesser
der Kontaktfeder 1. Mit anderen Worten: Die mechanisch
gefertigte Ringfeder 6 weist ein Übermaß sowohl
zum Endmaß der Kontaktfeder 1 als auch zur erforderlichen
Bolzen- und Nutgeometrie der zugehörigen Kontaktanordnung
auf.
-
Zur
Erzielung der vorgebbaren Schrägstellung der Windungen
W der Ringfeder 6 wird diese in einem nächsten
Herstellungsschritt in eine zugehörige erste Form 7 gesetzt,
wie in 6 gezeigt. Dabei wird die Ringfeder 6 auf
einen ersten Dorn 7.1 gesetzt. Anschließend wird
außen auf die Ringfeder 6 eine erste Hülse 7.2 der
ersten Form 7 aufgesetzt. Durch Drehen der ersten Hülse 7.2 im
auf die Ringfeder 6 aufgesetzten Zustand werden die Windungen W
bis zu einem vorgebbaren Winkel verschränkt, insbesondere
verdreht.
-
7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Ringfeder 6 mit
verschränkten Windungen W.
-
8 zeigt
einen Ausschnitt einer alternativen Ringfeder 6 mit ineinander
verdrehten Windungen W.
-
Darüber
hinaus können die Windungen W, falls diese noch keine elliptische
Form aufweisen, durch Drücken der Hülse 7.2 auf
die Ringfeder 6 in eine entsprechend elliptische Form gedrückt
werden. Hierzu kann die hohlzylindrische Hülse 7.2 in
nicht näher dargestellter Art und Weise an einem Ende im Öffnungsbereich
einen überstehenden Rand aufweisen, wobei die Höhe
der Hülse 7.2 kleiner als die Höhe der
Ringfeder 6 ist, so dass durch Drücken der Hülse 7.2 diese
die Ringfeder 6 in eine elliptische Form presst. Alternativ
kann bereits eine Druckfeder 5 mit einer elliptischen Form
der Windungen W verwendet werden.
-
Zur
Erzielung der gegenüber mechanischen und thermischen Beanspruchungen
stabilen Ausführung der Kontaktfeder 1 wird die
Ringfeder 6 gemäß 7 oder 8 anschließend
in mehreren Wärmebehandlungsschritten thermisch behandelt.
Hierzu verbleibt die mechanisch geformte Ringfeder 6 mit den
verschränkten Windungen W in der Form 7.
-
In
einem ersten Wärmebehandlungsschritt wird die geformte
Ringfeder 6 beispielsweise bei einer Wärmebehandlungstemperatur
von 300°C bis 600°C mit einer Wärmebehandlungsdauer
von einer Stunde bis vier Stunden thermisch behandelt und ausgehärtet.
Dabei können die Wärmebehandlungstemperaturen
und die Wärmebehandlungsdauer abhängig vom Material
der Ringfeder 6 variieren.
-
In
mindestens einem anschließenden weiteren Wärmebehandlungsschritt
wird die geformte und bereits ausgehärtete Ringfeder 6 in
eine weitere Form gesetzt, welche sich von der ersten Form 7 nur durch
geringere Abmessungen unterscheidet. Durch den weiteren Wärmebehandlungsschritt
wird die bereits ausgehärtete Ringfeder 6 einem
künstlichen Alterungsprozess unterzogen und insbesondere
durch die kleineren Abmessungen der zugehörigen Form geschrumpft.
Dabei weist die Form des weiteren Wärmebehandlungsschritts
insbesondere die Endform der Kontaktfeder 1 entsprechende
Abmessungen auf. Mit anderen Worten: Der Dorndurchmesser Dd des
zugehörigen Dorns entspricht dem Innendurchmesser der endgültigen
Kontaktfeder 1 und der Hülsendurchmesser Dh entspricht
dem Außendurchmesser der endgültigen Kontaktfeder 1.
Im weiteren Wärmebehandlungsschritt wird die Ringfeder 1 in
der weiteren, diesem Wärmebehandlungsschritt zugehörigen
Form einer Wärmebehandlungstemperatur von 120°C
bis 200°C mit einer Wärmebehandlungsdauer von
mindestens 20 Stunden bis ca. 36 Stunden ausgesetzt. Im Ausführungsbeispiel
sind lediglich zwei Wärmebehandlungsschritte vorgesehen,
wobei der letztere maßgeblich durch das Endmaß und
die Verwendung der Kontaktfeder 1 charakterisiert ist.
Hierzu entsprechen zum einen die Abmessungen der zugehörigen
Form dem Endmaß der Kontaktfeder 1. Zum anderen
entspricht die Wärmebehandlungstemperatur in etwa der maximalen
Betriebstemperatur der eingesetzten Kontaktfeder 1, welche
im Ausführungsbeispiel für einen Erd- oder Trennschalter
einer Mittelspannungsanlage vorgesehen ist, deren Betriebstemperatur
bei etwa 120°C bis 150°C liegt. Nach Ablauf der
vorgebbaren Wärmebehandlungsdauer ist die Ringfeder 6 aufgrund
des Relaxationsverhaltens des Federmaterials auf das Endmaß der Kontaktfeder 1 geschrumpft.
-
Je
nach Einsatz der Kontaktfeder 1 sowie des verwendeten Federmaterials
können die Anzahl der Wärmebehandlungsschritte,
die Wärmebehandlungsdauer, die Wärmebehandlungstemperaturen und/oder
die Abmessungen der zugehörigen Form variieren. Dabei werden
insbesondere die Abmessungen der Form des jeweiligen Wärmebehandlungsschritts
empirisch ermittelt, um im letzten Wärmebehandlungsschritt
das erforderliche Endmaß der Kontaktfeder 1 zu
erzielen.
-
9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der aus einer Ringfeder 6 gemäß 7 durch
Aushärtung gebildeten und durch thermische Behandlung geschrumpften
Kontaktfeder 1 mit entsprechend kleineren Abmessungen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-