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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.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 195 28 126 A1 ist eine Innenkonussteckvorrichtung für Kabelverbindungen
im Hochspannungsbereich bekannt, welche einen an einem Kabelende
befestigten Steckerteil und einen das Steckerteil aufnehmenden Buchsenteil
aufweist. Zur Kontaktierung zwischen dem Steckerteil und dem Buchsenteil
ist ein Spiralfederring vorgesehen, der einen zwischen dem Steckerteil
und dem Buchsenteil liegenden Ringspalt überbrückt. Dieser Spiralfederring
ist aus einer mit ihren beiden Enden verbundenen Spiralfeder gebildet, alle
Spiralfederwindungen des Spiralfederrings weisen eine einseitige
Neigung auf.
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Aus
der Patentschrift
DE
696 19 519 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Schraubenfedern
bekannt, bei dem von geraden Schraubenfedern ausgegangen wird und
während
einer thermischen Behandlung eine Krümmungsphase der geraden Federn
stattfindet. Zur Krümmung
werden die Federn gebogen festgehalten, wobei ihnen etwa die Form
eines Abschnitts einer Schraubenwindung gegeben wird.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
533 053 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer gekrümmten Spiralfeder
und eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens bekannt. Dabei wird zur Herstellung einer eine
definiert gekrümmte
Federachse aufweisenden Spiralfeder aus Federstahldraht eine Vorform
mit einer geraden Federachse gewickelt. Zwischen benachbarte Windungen
der Vorform wird danach ein Formkeil eingepresst, um die Federachse
zu krümmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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.
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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 Wärmebehandlungsdauer
sowie die Abmessungen der jeweiligen Form variieren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
eine Kontaktfeder für
einen Steckkontakt im Stand der Technik,
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2 schematisch
eine Windung einer herkömmlich
hergestellten Kontaktfeder im Stand der Technik,
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3 schematisch
eine spiralförmige
Druckfeder,
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4 schematisch
eine an den Enden stoff- und kraftschlüssig zu einer Ringfeder verbundene Druckfeder
gemäß 3,
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5 schematisch
die Ringfeder im Bereich der miteinander gefügten Enden,
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6 schematisch
in perspektivischer Darstellung eine Form zur Aufnahme der Ringfeder
gemäß 4 zur
mechanischen Formgebung der Ringfeder,
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7 schematisch
eine mechanisch geformte Ringfeder mit verschränkten Windungen,
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8 schematisch
eine mechanisch geformte Ringfeder mit ineinander verdrehten Windungen,
und
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9 schematisch
die Ringfeder gemäß 6 mit
durch thermische Aushärtung
und Behandlung geschrumpften Abmessungen.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine Ringfeder 6 mit
verschränkten
Windungen W.
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8 zeigt
einen Ausschnitt einer alternativen Ringfeder 6 mit ineinander
verdrehten Windungen W.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.