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Die Erfindung betrifft eine Schaltmechanik für einen Fehlerstromschutzschalter sowie einen Fehlerstromschutzschalter, welcher eine entsprechende Schaltmechanik aufweist.
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Ein Fehlerstromschutzschalter ist eine Schutzeinrichtung, welche gegen das Bestehen bleiben eines unzulässig hohen Berührungsstroms schützt. Er dient damit zur Vermeidung von gefährlichen, zum Teil tödlichen Verletzungen bei Stromunfällen, insbesondere durch Erdschluss über den menschlichen Körper, sowie zusätzlich der Brandverhütung. Im Allgemeinen Sprachgebrauch sind auch die Begriffe FI-Schutzschalter (kurz: FI-Schalter) oder RCD (für Residual Current Protective Device) gebräuchlich.
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Bei einem Fehlerstromschutzschalter wird bei Überschreiten eines bestimmten Differenzstroms der überwachte Stromkreis allpolig vom restlichen Netz getrennt. Die Ermittlung des Differenzstroms erfolgt mit Hilfe eines sogenannten Summen-Stromwandlers, der alle zum und vom Verbraucher fließenden Ströme vorzeichenrichtig addiert. Wird an einer beliebigen Stelle im Stromkreis ein Strom gegen Erde abgeleitet, so ist die im Summenstromwandler erfasste Summe von hin- und zurückfließenden Strömen ungleich Null. Die ermittelte Stromdifferenz führt dann zum Auslösen des Fehlerstromschutzschalters und damit zur Abschaltung der Stromzufuhr im betreffenden Stromkreis.
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Da die ermittelten Differenzströme in der Regel vergleichsweise klein sind verfügen Sie auch nur über eine geringe Energiedichte. Daher kann der Fehlerstrom nicht - wie beispielsweise bei einem Leitungsschutzschalter - direkt zur Auslösung des Schaltschlosses - beispielsweise mit Hilfe einer Magnetspule und einem Schlaganker im Falle einer Kurzschlussauslösung - verwendet werden. Stattdessen wird in der Regel ein Auslöserelais verwendet, welches jedoch nur über eine vergleichsweise geringe Auslösekraft verfügt. Aus diesem Grund wird bei Fehlerstromschutzschaltern eine Kniehebelschaltmechanik verwendet, um entsprechend hohe Auslösekräfte realisieren zu können. Hohe Auslösekräfte sind auch erforderlich, da beim Auslösen alle Pole des Fehlerstromschutzschalters durch die Schaltmechanik vom Netz getrennt werden müssen. Um entsprechend hohe Auslösekräfte zu realisieren wird der sogenannte Kniehebel-Effekt verwendet, wonach die eingeleitete Kraft im Bereich des fast ausgestreckten Knies stark verstärkt werden kann, während vorhergehende Bewegungen mit geringer Kraft und somit mit relativ hoher Geschwindigkeit erfolgen können. Beim Einschalten des Fehlerstromschutzschalters per Hand über ein Betätigungselement wird die Bewegung über ein oberes und ein unteres Glied der Kniehebelschaltmechanik auf eine Schaltwelle übertragen, wodurch mit der Schaltwelle gekoppelte Kontakte geschlossen werden. Eine derartige Kniehebelschaltmechanik für einen Fehlerstromschutzschalter ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 8702467 U1 bekannt.
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In einigen Anwendungsfällen wird an den Fehlerstromschutzschalter ein Zusatzmodul - beispielsweise ein Hilfsschalter, ein Fehlersignal- oder ein Fernschalter - angekoppelt. In diesen Fällen ist eine mechanische Schnittstelle zwischen dem Fehlerstromschutzschalter und dem angekoppelten Zusatzmodul erforderlich, um ein Auslösen oder eine Ansteuerung des angebauten Zusatzmoduls zu ermöglichen. Bei bisher bekannten Fehlerstromschutzschaltern verfügt die Schaltmechanik über keine explizite mechanische Schnittstelle, um ein angekoppeltes Zusatzmodul anzusteuern. Zum Ansteuern eines Hilfsschalters muss der Anwender das an der Position der Schaltwelle nur von einem Aufkleber abgedeckte Gehäuse durch Entfernen des Aufklebers öffnen und den Hilfsschalter als Verlängerung an der dahinter liegenden Schaltwelle anbauen. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass das Gehäuse nicht mehr hermetisch abgeschlossen ist und durch das Entfernen des Aufklebers Schmutz durch die Öffnung in das Gehäuse eindringen kann. Bei Nichtgebrauch muss die Öffnung des Gehäuses daher anschließend wieder durch ein zusätzliches Abdeckelement verschlossen werden, was umständlich ist und zusätzliche Kosten verursacht. Weiterhin besteht die Gefahr, dass das Anbringen der Abdeckung vergessen wird, so dass Schmutz in das Gehäuse eindringen und zu Fehlfunktionen oder zum Ausfall des Fehlerstromschutzschalters führen kann. Aus Gründen der Sicherheit ist dies unter allen Umständen zu vermeiden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 036 191 A1 ist eine als Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter ausgebildete Schalteinrichtung bekannt, welche einen Mitnehmer aufweist, der drehbar im Gehäuse der Schalteinrichtung gelagert ist und zur Übertragung mechanischer Signale zwischen der Schalteinrichtung und einem daran angebauten Zusatzmodul vorgesehen ist. Für einen Fehlerstromschutzschalter ist jedoch die Schaltmechanik eines Leitungsschutzschalters oder Leistungsschalters aufgrund der geringen Übersetzung, der hohen Auslösekraft sowie der modularen Bauweise, die für jeden Pol des Leitungsschutzschalters oder Leistungsschalters eine eigene Schaltmechanik vorsieht, nicht geeignet.
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Ferner ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 036 191 A1 eine für einen Leitungsschutzschalter vorgesehene Schaltvorrichtung mit mindestens zwei Schaltstellen mit je einem festen und einem beweglichen Kontaktelement bekannt, deren Bewegungsabläufe mittels durch eine Schaltmechanik gesteuert werden. Eine Klinke der Schaltmechanik ist dabei über einen ersten Bügel mit einem manuell betätigbaren Schalthebel drehbeweglich verbunden. Über einen zweiten Bügel ist die Klinke mit einem Bewegkontaktträger, an dem das bewegliche Kontaktelement angeordnet ist, drehbeweglich verbunden. Um eine kompakte Anordnung der Komponenten der Schaltmechanik zu erreichen weist diese ein Koppelelement auf, welches eine Schaltzustandsänderung einer der beiden Schaltstellen in Abhängigkeit von der jeweils anderen Schaltstelle herbeiführt.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltmechanik für einen Fehlerstromschutzschalter sowie einen entsprechenden Fehlerstromschutzschalter bereitzustellen, welche mit unterschiedlichen, ankoppelbaren Zusatzmodulen wie beispielsweise Hilfsschalter, Fehlersignalschalter oder Fernschalter, aber auch Arbeitsstromauslöser, Unterspannungsauslöser oder einem Selbsttestmodul zusammenwirken und dabei die vorstehend genannten Nachteile überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltmechanik für einen Fehlerstromschutzschalter sowie den erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Schaltmechanik für einen Fehlerstromschutzschalter weist ein Kniehebel-Element auf, das mit einem manuell betätigbaren Betätigungselement gekoppelt ist, sowie eine Klinke, die zur Stabilisierung des Kniehebel-Elements vorgesehen ist. Weiterhin weist die Schaltmechanik eine Halbwelle auf, die zur Sicherung der Klinke in der stabilisierenden Position vorgesehen ist, wobei die Klinke mit dem Kniehebel-Element gekoppelt und an der Halbwelle derart verklinkbar ist, dass das auf Druck belastete Kniehebel-Element in einer gestreckten Lage stabilisiert wird. Dabei ist ein mechanischer Mitnehmer mit der Schaltmechanik gekoppelt und zur Übertragung eines mechanischen Steuersignals zwischen der Schaltmechanik und einem an den Fehlerstromschutzschalter ankoppelbaren Zusatzmodul ausgebildet. Weiterhin ist der Mitnehmer für eine bidirektionale Signalübertragung zwischen der Schaltmechanik und dem angekoppelten Zusatzmodul ausgebildet. Die Halbwelle weist hierbei einen Hebelarm auf, welcher zum Zusammenwirken mit dem Mitnehmer vorgesehen ist, um ein über den Mitnehmer initiiertes Auslösen der Schaltmechanik zu realisieren. Hierfür weist der Mitnehmer ein am Mitnehmer ausgebildetes, fingerartiges Koppelelement auf, welches beim Zusammenwirken mit dem Hebelarm der Halbwelle einen Kurventrieb bildet, so dass bei Drehung des Mitnehmers die Halbwelle bewegt und damit die Verklinkung der Klinke an der Halbwelle gelöst wird.
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Die Verwendung einer Kniehebelschaltmechanik ermöglicht eine höhere Kraftübersetzung als dies bei einer herkömmlichen Schaltmechanik, wie sie beispielsweise in einem Leitungsschutzschalter verwendet wird, der Fall ist. Dadurch wird eine hohe Auslösekraft bereitgestellt, welche erforderlich ist, um die Schaltkontakte des Fehlerstromschutzschalters möglichst unmittelbar und schlagartig zu öffnen. Dieser Auslöseimpuls kann durch die erfindungsgemäße Schaltmechanik über den Mitnehmer an ein angekoppeltes Zusatzmodul oder auch an mehrere angekoppelte Zusatzmodule übertragen werden. Bei Betätigung des Mitnehmers wird auf den Hebelarm der Halbwelle eine Kraft ausgeübt, welche durch eine Bewegung der Halbwelle ein Auslösen der Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters bewirkt. Durch diese weitere Kopplung zwischen Mitnehmer und Schaltmechanik kann über das angekoppelte Zusatzmodul auf einfache Art und Weise ein Auslösen der Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters initiiert werden.
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Als ankoppelbare Zusatzmodule kommen beispielsweise Hilfsschalter, Fehlersignalschalter oder Fernschalter in Betracht, die bei Auslösen des Fehlerstromschutzschalters ebenfalls mit ausgelöst werden. Weiterhin kommen aber auch Arbeitsstromauslöser, Unterspannungsauslöser oder ein Selbsttestmodul in Betracht, die bei einer Auslösung ihrerseits den Fehlerstromschutzschalter mit auslösen.
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Die Signalübertragung kann bidirektional, d.h. in zwei Richtungen erfolgen. Dies bedeutet nicht, dass sich der Mitnehmer in beide Richtungen drehen kann, sondern dass über den Mitnehmer sowohl Signale von der Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters zum Auslösen oder Ansteuern eines angebauten Hilfsschalters, eines Fehlersignalschalters oder Fernschalters, übertragbar sind, als auch Signale von einem angekoppelten Zusatzmodul - beispielsweise einem Arbeitsstromauslöser, einem Unterspannungsauslöser oder einem Selbsttestmodul - mit Hilfe des Mitnehmers in den Fehlerstromschutzschalter hinein an die Schaltmechanik übertragen werden können. Dadurch wird eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik ist der mechanische Mitnehmer derart ausgebildet, dass sowohl Signale von der Schaltmechanik an das Zusatzmodul, als auch Signale von dem Zusatzmodul an die Schaltmechanik übertragbar sind. Die Übertragung von Signalen in beide Richtungen, d.h. sowohl vom Fehlerstromschutzschalter an ein angekoppeltes Zusatzmodul als auch von einem angekoppelten Zusatzmodul an den Fehlerstromschutzschalter, über ein und dieselbe Schnittstelle ermöglicht eine einfache und kompakte Bauweise des Fehlerstromschutzschalters sowie eine höhere Flexibilität hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten.
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In weiteren einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik weist das Kniehebel-Element ein erstes Glied und einem zweites Glied auf, welche durch ein Gelenk drehbar miteinander gekoppelt sind, wobei das erste Glied mit dem manuellen Betätigungselement gekoppelt ist, und wobei das das zweite Glied mit einer Schaltwelle der Schaltmechanik, welche zum Öffnen und Schließen eines Schaltkontakts vorgesehen ist, gekoppelt ist. Durch die Kniehebelschaltmechanik ist es möglich, auch mit den - aufgrund der geringen Differenzströme - niedrigen Steuerkräften eines Fehlerstromschutzschalters vergleichsweise hohe Auslösekräfte zu realisieren, um die Schaltkontakte des Fehlerstromschutzschalters möglichst unmittelbar und schlagartig öffnen zu können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik ist der Mitnehmer als Drehmitnehmer ausgebildet, welcher zur Übertragung von Steuersignalen in Form von Drehbewegungen ausgebildet ist. Drehbewegungen sind vergleichsweise einfach zu erzeugen und stellen daher eine mögliche, einfach zu realisierende Ausführungsform für ein mechanisches Steuersignal dar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik weist der Mitnehmer einen Federenergiespeicher auf, welcher derart ausgebildet ist, dass er beim Einschalten der Schaltmechanik aufgezogen wird und beim Auslösen der Schaltmechanik den Mitnehmer unter Abgabe der gespeicherten Federenergie antreibt. Durch die Verwendung eines eigenen Federenergiespeichers zum Antreiben des Mitnehmers beim Auslösen der Schaltmechanik wird gewährleistet, dass Schaltwelle und Schaltmechanik nicht zusätzlich durch den Antrieb des Mitnehmers belastet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik weist der Fehlerstromschutzschalter ein Getriebeglied auf, über das die Klinke und der Mitnehmer derart miteinander gekoppelt sind, dass ein Auslösen der Schaltmechanik über das Getriebeglied an den Mitnehmer und damit an das angekoppelte Zusatzmodul übertragbar ist. Das Getriebeglied kann beispielsweise als Bügel, als Zugstange oder als Lasche ausgebildet sein. Es dient dazu, durch die Bewegung der Klinke bei Auslösen des Fehlerstromschutzschalters den Mitnehmer anzusteuern, um das Auslösesignal an ein über den Mitnehmer angekoppeltes Zusatzmodul zu übertragen. Alternativ kann die Ansteuerung des Mitnehmers auch über mehrere zusätzliche Teile erfolgen, die bei Auslösen des Fehlerstromschutzschalters von der Klinke angetrieben werden und ihrerseits den Mitnehmer antreiben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik weist die mit Hilfe des Getriebegliedes realisierte Kopplung von Klinke und Mitnehmer einen Freilauf auf. Der Freilauf bewirkt, dass über den Mitnehmer sowohl eine Signalübertragung vom Fehlerstromschutzschalter an ein angekoppeltes Zusatzmodul realisierbar ist, als auch eine Signalübertragung von einem angekoppelten Zusatzmodul an den Fehlerstromschutzschalter möglich ist, ohne dass diese durch die Schaltmechanik - insbesondere durch die Klinke - gehemmt wird. Einerseits wird bei Auslösen des Fehlerstromschutzschalters die Bewegung der Klinke über das Getriebeelement an den Mitnehmer übertragen, wodurch eine mechanische Signalübertragung vom Fehlerstromschutzschalter an das angekoppeltes Zusatzmodul realisiert wird. Andererseits kann bei einer Signalübertragung von einem angekoppelten Zusatzmodul an den Fehlerstromschutzschalter der Mitnehmer aufgrund des Freilaufs bewegt werden, ohne dass dadurch das Getriebeelement oder die Klinke bewegt werden. Ein Blockieren dieser Bewegung durch die Klinke in ihrer verklinkten Stellung wird dadurch vermieden. Die Signalübertragung ist somit zu jedem Zeitpunkt in beide Richtungen gewährleistet. Der Freilauf stellt damit eine einfache Möglichkeit dar, um die Signalübertragung in beide Richtungen fehlerfrei zu gewährleisten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik ist der Freilauf klinkenseitig oder mitnehmerseitig als Langloch oder Kulisse ausgebildet. Langloch und Kulisse stellen zwei gängige Ausführungsformen zur Realisierung eines Freilaufs dar. Eine Kulisse weist einen Schlitz oder eine Nut - die sogenannte Kulissenführung - auf, in dem bzw. in der ein weiteres Getriebeelement über einen sogenannten Kulissenstein beidseitig zwangsgeführt ist, um eine Bewegung der Kulisse in eine Bewegung des Kulissensteins zu übertragen. Die Kopplung zwischen Klinke und Mitnehmer über das Getriebeglied kann dabei entweder klinkenseitig, d.h. zwischen Klinke und Getriebeglied, oder mitnehmerseitig, d.h. zwischen Mitnehmer und Getriebeglied ausgebildet sein. In beiden Fällen ist es dabei möglich, dass die Kulissenführung entweder auf Seiten des Getriebegliedes oder auf Seiten der Klinke bzw. des Mitnehmers ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik ist der Kurventrieb derart ausgebildet, dass eine Drehung des Mitnehmers bereits in einem ersten Drehwinkelbereich kleiner 25° eine Drehbewegung der Halbwelle und damit ein Auslösen der Schaltmechanik bewirkt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass bereits bei einer relativ geringen Drehung des Mitnehmers, d.h. ab einem Drehwinkel von ca. 25° ein sicheres Auslösen der Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters realisiert wird. Ein Weiterdrehen des Mitnehmers ist zwar möglich, hieraus resultiert jedoch keinerlei zusätzliche Wirkung. Die Drehung des Mitnehmers weist somit einen ersten Drehwinkelbereich sowie einen daran anschließenden zweiten Drehwinkelbereich auf. Während die Drehung des Mitnehmers über den ersten Drehwinkelbereich eine Bewegung der Halbwelle und damit ein Auslösen der Schaltmechanik bewirkt, hat das Weiterdrehen des Mitnehmers im Bereich des zweiten, an den ersten anschließenden Drehwinkelbereich, keine zusätzliche Auswirkung auf die Bewegung der Halbwelle. Aufgrund dieser konstruktiven Ausführung ist sichergestellt, dass die Schaltmechanik auch bei einem geringen Drehbereich der Halbwelle sicher ausgelöst wird. Die geringe Drehbewegung der Halbwelle benötigt nur einen geringeren Bauraum, so dass die Schaltmechanik kompakter gestaltet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik ist an zumindest einem, drehbar gelagerten Element der Schaltmechanik eine Ausgleichsmasse vorgesehen, welche derart angeordnet und dimensioniert ist, dass der Schwerpunkt des Elements im Bereich seiner Drehachse liegt.
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Schaltmechaniken von Fehlerstromschutzschaltern reagieren generell empfindlich auf Erschütterungen oder hohe Beschleunigungen. Das liegt daran, dass die Trägheitskräfte, die beim Beschleunigen oder Verzögern auf die verschiedenen Elemente der Schaltmechanik wirken, in der gleichen Größenordnung liegen wie die Kräfte, die von den elektrischen oder elektromechanischen Auslösern zum Auslösen der Schaltmechanik aufgebracht werden. Diese Trägheitskräfte wirken wie die Auslösekräfte auf die Auslöseelemente der Schaltmechanik, die dadurch fälschlicherweise ausgelöst werden können. Ferner können auch die hochdynamischen Schaltvorgänge benachbart angeordneter Schaltgeräte zu Erschütterungen und damit zu Fehlauslösungen der Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters führen.
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Bei drehbeweglich gelagerten Komponenten der Schaltmechanik kann dieser Effekt dadurch verringert bzw. kompensiert werden, dass an dem betreffenden Element eine oder mehrere Ausgleichsmassen derart angeordnet werden, dass der Schwerpunkt des Elements im Bereich seiner Drehachse liegt. Da Trägheitskräfte im Schwerpunkt eines Elements angreifen und der Schwerpunkt durch die Anordnung und Dimensionierung der Ausgleichsmassen mit dem Drehpunkt des Elements zusammenfällt, können die Trägheitskräfte das drehbar gelagerte Element nicht in Rotation versetzen. Auf diese Weise kann die Anzahl von Fehlfunktionen sowie deren Auftretenswahrscheinlichkeit deutlich reduziert werden; die Zuverlässigkeit der Schaltmechanik wird dadurch deutlich erhöht.
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Weiterhin kann durch die Verwendung von Ausgleichsmassen bei der Auslegung der einzelnen Bauelemente der Schaltmechanik die aufwändige Abstimmung von Auslösekräften und Federkräften sowie von Teilsteifigkeiten und Erschütterungsfestigkeit deutlich reduziert werden. Die empfindlichen Bauteile können dadurch wieder steif ausgeführt werden. Ferner sind Auslöser mit geringer Kraft möglich, da die relativ stark dimensionierten Federn, welche die Bauteile üblicherweise in einer stabilen Lage halten würden, entfallen und daher nicht mehr durch den Auslösemechanismus überwunden werden müssen.
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Als drehbar gelagerte Elemente der Schaltmechanik kommen beispielsweise die Halbwelle, aber auch der Mitnehmer oder der Anlegehebel in Betracht. Allgemein formuliert ist das Anbringen von Ausgleichsmassen bei allen Elementen der Schaltmechanik sinnvoll, deren Schwerpunkt einen deutlichen Abstand zur Drehachse aufweist, beispielsweise aufgrund von Krag- oder Hebelarmen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltmechanik weist die Ausgleichsmasse zumindest eine Bohrung zur Realisierung annähernd konstanter Wandstärken auf. Für Bauteile, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, sind möglichst gleichmäßige Wandstärken vorteilhaft, damit die Spritzgussmasse sich in der Spritzgussform möglichst gleichmäßig und vollständig in allen Hohlräumen verteilt. Dies gilt sowohl für Kunststoff- als auch für Metallspritzgussverfahren. Auf diese Weise werden Materialfehler - beispielsweise die Bildung von Lunkern - weitestgehend vermieden; der Ausschuss bei der Herstellung der Bauteile kann dadurch deutlich reduziert werden.
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Der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter weist eine Schaltmechanik nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auf.
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Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters mit der oben beschriebenen Schaltmechanik wird auf die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Schaltmechanik verwiesen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Schaltmechanik unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltmechanik in einer AUS-Stellung,
- 2A und 2B schematische Darstellungen der Schaltmechanik während eines Einschaltvorgangs,
- 3A bis 3C schematische Darstellungen der Schaltmechanik bei einer Auslösung aufgrund eines Fehlerstroms,
- 4 eine schematische Darstellung der Schaltmechanik bei einer Auslösung durch ein angekoppeltes Zusatzmodul,
- 5A bis 5D schematische Darstellungen einzelner Elemente der erfindungsgemäßen Schaltmechanik.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Schaltmechanik für einen Fehlerstromschutzschalter 1 in einer AUS-Stellung schematisch dargestellt. Der Fehlerstromschutzschalter 1 weist an einer Frontseite eines Gehäuses 20 ein Betätigungselement 2 auf, welches in dem Gehäuse 20 drehbar gelagert ist und mit dessen Hilfe die Schaltmechanik manuell von der AUS-Stellung in eine EIN-Stellung verbracht werden kann. Die im Inneren des Gehäuses 20 angeordnete Schaltmechanik ist als Kniehebel-Schaltmechanik ausgebildet und weist ein erstes Glied 7 sowie ein zweites Glied 8 auf, welche in einem Kniegelenk 6 drehbar miteinander gekoppelt sind. Das erste Glied 7 ist dabei außerhalb einer Drehachse des Betätigungselements 2 gelenkig mit dem Betätigungselement 2 verbunden. Das zweite Glied 8 ist gelenkig mit einem Bewegkontaktträger 25 gekoppelt, der mit einer im Gehäuse 20 drehbar gelagerten Schaltwelle 3 starr verbunden ist; dabei ist das zweite Glied 8 außerhalb einer Drehachse der Schaltwelle 3 an den Bewegkontaktträger 25 angekoppelt.
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Der mit Hilfe der Schaltmechanik betätigbare Schaltkontakt wird von einem Festkontakt 4 sowie einem Bewegkontakt 5 gebildet. Der Festkontakt 4 ist dabei auf einem Festkontaktträger 24 befestigt, welcher seinerseits im Gehäuse 20 fixiert ist. Der Bewegkontakt 5 ist am Bewegkontaktträger 25 befestigt, welcher mit Hilfe der Schaltwelle 3 bewegbar ist. Auf diese Weise kann der Bewegkontakt 5 mit Hilfe der Schaltmechanik relativ zum Festkontakt 4 bewegt werden, wodurch der Schaltkontakt geöffnet und geschlossen werden kann. Die Ansteuerung des Bewegkontaktträgers 25 erfolgt dabei über das zweite Glied 8 der Kniehebelschaltmechanik.
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Mit dem Kniegelenk 6 ist ein erstes Ende einer Zugstange 9 drehbeweglich verbunden; das zweite Ende der Zugstange 9 ist mit einer Klinke 10 drehbeweglich gekoppelt, welche ihrerseits im Gehäuse 20 drehbar gelagert ist. Die Klinke 10 weist eine daran ausgebildete Verklinkungskante 18 auf, welche in einer vordefinierten Position mit einer an einer drehbar im Gehäuse 20 gelagerten Halbwelle 11 ausgebildeten Verklinkungskante 19 derart zusammenwirkt, dass die Klinke 10 an der Halbwelle 11 verklinkt ist und dadurch stabilisiert wird. Auf diese Weise wird das auf Druck belastete Kniegelenk 6 über die Zugstange 9 und die an der Halbwelle 11 verklinkte Klinke 10 in einer stabilen Lage gehalten, so dass eine Kraftübertragung vom Bedienelement 2 auf die Schaltwelle 3 möglich ist.
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Weiterhin weist die Schaltmechanik einen Mitnehmer 12 auf, welcher ebenfalls drehbar im Gehäuse 20 gelagert ist. Der Mitnehmer 12 stellt eine mechanische Schnittstelle dar, mit deren Hilfe eine Übertragung eines mechanischen Steuersignals zwischen dem Fehlerstromschutzschalter 1 und einem daran angekoppelten Zusatzmodul gewährleistet wird. Der Mitnehmer 12 ist dabei derart ausgebildet, dass das Gehäuse 20 bis auf einen minimalen Lagerspalt zwischen dem Gehäuse 20 und dem Mitnehmer 12 weitgehend hermetisch abgeschlossen und somit vor Schmutz geschützt ist. Ein Aufkleber oder andere Abdeckelemente sind daher nicht erforderlich.
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Der Mitnehmer 12 ist dabei bidirektional ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Signalübertragung in zwei Richtungen erfolgen kann: Zum einen können Signale von der Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters 1 an ein daran angekoppeltes Zusatzmodul übertragen werden, beispielsweise zum Auslösen oder Ansteuern eines angekoppelten Hilfsschalters, eines Fehlersignalschalters oder eines Fernschalters. Zum anderen können auch Signale von einem angekoppelten Zusatzmodul - beispielsweise einem Arbeitsstromauslöser, einem Unterspannungsauslöser oder einem Selbsttestmodul - mit Hilfe des Mitnehmers 12 in den Fehlerstromschutzschalter 1 hinein an dessen Schaltmechanik übertragen werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Fehlerstromschutzschalter 1 in unterschiedliche Konfigurationen für verschiedene Anwendungsfälle flexibel einzusetzen.
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Der Mitnehmer 12 weist einerseits ein fingerartiges Koppelelement 16 auf, welches mit einem Hebelarm 17, der an der Halbwelle 11 ausgebildet ist, zusammenwirkt und dabei einen Kurventrieb 15 bildet. Mit Hilfe dieses Kurventriebes 15 ist es möglich, ein mechanisches Steuersignal, welches in Form einer Drehbewegung von außerhalb des Fehlerstromschutzschalters 1 auf den Mitnehmer 12 einwirkt, über den Kurventrieb 15 auf die Halbwelle 11 und damit an die Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters 1 zu übertragen. Andererseits ist der Mitnehmer 12 über ein Getriebeglied 13 in Form eines Bügels mit der Klinke 10 gekoppelt. Mit Hilfe dieser Kopplung ist es möglich, eine Auslösung der Schaltmechanik aufgrund eines Fehlerstroms, bei der die Klinke 10 entklinkt wird, über die Bewegung der Klinke 10 und das Getriebeelement 13 an den Mitnehmer 12 und damit an ein angekoppeltes Zusatzmodul zu übertragen. Die Kopplung zwischen der Klinke 10 und dem Mitnehmer 12 über das Getriebeelement 13 weist dabei einen Freilauf auf, welcher entweder klinkenseitig oder mitnehmerseitig ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Mitnehmer 12 eine Freilauf-Kulisse 14 auf, in welcher das bügelartige Getriebeelement 13 zwangsgeführt ist, so dass eine von außen durch die angekoppelte Zusatzkomponente initiierte Bewegung des Mitnehmers 12 nicht durch die Klinke 10 blockiert wird (vgl. 4). Ebenso wenig wird die Auslösung der Schaltmechanik aufgrund eines Fehlerstroms durch den Kurventrieb 15 gehemmt oder blockiert (siehe 3A bis 3C).
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In den 2A und 2B ist die Schaltmechanik während eines Einschaltvorgangs schematisch dargestellt. Beim Einschalten des Fehlerstromschutzschalters 1 per Hand wird das Betätigungselement 2 von der in 1 dargestellten AUS-Stellung in die in 2B dargestellte EIN-Stellung verbracht. Die Bewegung des Betätigungselements 2 wird dabei über die Kniehebelschaltmechanik, d.h. über das erste Glied 7, das Kniegelenk 6 und das zweite Glied 8, auf die Schaltwelle 3 und damit auf den Bewegkontaktträger 25 übertragen. Das auf Druck belastete Kniegelenk 6 wird durch die Zugstange 9 sowie die Klinke 10, welche über ihre Verklinkungskante 18 an der Verklinkungskante 19 der Halbwelle 11 verklinkt ist (siehe 1), in einer stabilen Lage gehalten, so dass eine Kraftübertragung vom Betätigungselement 2 über die Kniehebelschaltmechanik auf die Schaltwelle 3 möglich ist.
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2A zeigt den Fehlerstromschutzschalter 1 zu einem Zeitpunkt, zu dem das Betätigungselement 2 bereits ein kleines Stück weit in Richtung der EIN-Stellung bewegt wurde. Dabei wird die Kniehebelschaltmechanik, bestehend aus dem Kniegelenk 6 sowie dem ersten Glied 7 und dem zweiten Glied 8, leicht gebeugt, so dass die Klinke 10 über die Zugstange 9 an die Halbwelle 11 herangezogen wird. Dabei tritt die an der Klinke 10 ausgebildete Verklinkungskante 18 mit der an der Halbwelle 11 ausgebildeten Verklinkungskante 19 in Kontakt. Dabei verhakt sich die Verklinkungskante 18 der Klinke 10 an der Verklinkungskante 19 der Halbwelle 11, wodurch die Klinke 10 mit der Halbwelle 11 verklinkt ist. Aufgrund des Freilaufs des bügelförmigen Getriebeelements 13 in der Freilauf-Kulisse 14 des Mitnehmers 12 wird der Mitnehmer 12 während der Bewegung der Klinke 10 in die verklinkte Stellung nicht mitbewegt. Erst bei einer weiteren Bewegung der Klinke 10 um ihre Drehachse (siehe 3C) würde der Mitnehmer 12 über das Getriebeelement 13 mitbewegt werden, da sich das Getriebeelement 13 in der in 2A dargestellten, verklinkten Stellung bereits am Ende der Freilauf-Kulisse 14 befindet.
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Wird das Betätigungselement 2 - wie in 2B dargestellt - vollständig in die EIN-Stellung bewegt, so wird diese Bewegung über das erste Glied 7, das Kniegelenk 6 und das zweite Glied 8 an die Schaltwelle 3 übertragen, da ein Ausknicken des Kniegelenks 6 aufgrund der verklinkten Klinke 10 nicht möglich ist und das Kniegelenk 6 durch die auf Zug belastete Zugstange 9 in einer stabilen, gestreckten Lage gehalten wird. Über die Bewegkontaktträger 25 werden die Bewegkontakte 5 an die Festkontakte 4 herangeführt, wodurch die Schaltkontakte geschlossen werden.
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In den 3A bis 3C ist die Schaltmechanik bei einer Auslösung aufgrund eines Fehlerstroms schematisch dargestellt. Die 3A und 3B zeigen den Fehlerstromschutzschalter 1 zum gleichen Zeitpunkt unmittelbar zu Beginn der Auslösung in zwei unterschiedlichen Seitenansichten. Die Auslösung aufgrund eines Fehlerstroms wirkt auf ein Auslöserelais 21, welches seinerseits eine Auslösung der Schaltmechanik initiiert. Das Auslöserelais 21 weist hierzu einen Relaisstößel 26 auf, welcher bei einer Auslösung des Fehlerstromschutzschalters 1 aufgrund eines Fehlerstroms bewegt wird. Weiterhin ist in dem Gehäuse 20 ein Anlegehebel 27 drehbar gelagert, welcher sowohl mit dem Relaisstößel 26 als auch mit der Halbwelle 11 derart gekoppelt ist, dass im Falle einer Auslösung aufgrund eines Fehlerstroms die Bewegung des Relaisstößels 26 über den Anlegehebel 27 auf die Halbwelle 11 übertragen wird. Wird die Halbwelle 11 nun vom elektromechanischen Auslöserelais 21 über den Anlegehebel 27 in eine ausgelöste Stellung gebracht (siehe 3B), so wird die Verklinkung der Klinke 10 an der Halbwelle 11 gelöst. Die Halbwelle 11 wird dabei nur bis in die in 3B dargestellte Position gedreht und verweilt auch während des weiteren Auslösevorgangs in dieser Position, was dem ohnehin knapp bemessenen Bauraum zugute kommt. Die Klinke 10, welche sich nun nicht mehr an der Verklinkungskante 19 der Halbwelle 11 abstützen kann, kann die Kraft, die von der Schaltwelle 3 über das Kniegelenk 6 auf sie ausgeübt wird nicht mehr abstützen. Das Ausknicken des Kniegelenks 6 wird folglich von der Zugstange 9 und der Klinke 10 nicht mehr behindert.
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In 3C ist die Schaltmechanik im vollständig ausgelösten Zustand dargestellt. Die auf das Kniegelenk 6 wirkende Druckkraft, welche von dem Betätigungselement 2 sowie von der Schaltwelle 3 über das erste Glied 7 sowie das zweite Glied 8 auf das Kniegelenk 6 ausgeübt wird, beugt das Kniegelenk 6 aus, da dieses nicht mehr über die Klinke 10 und die Zugstange 9 stabilisiert wird. Durch diese Bewegung wird der Bewegkontaktträger 25 zusammen mit der Schaltwelle 3 schlagartig im Gegenuhrzeigersinn bewegt, wodurch der Schaltkontakt ebenso schlagartig geöffnet wird. Dieses Öffnen des Schaltkontakts erfolgt selbst dann, wenn das Betätigungselement 2 trotz der Auslösung manuell in seiner EIN-Stellung gehalten werden sollte. Dieser Effekt wird auch als Freiauslösung bezeichnet. Durch das Ausknicken des Kniegelenks 6 wir die Klinke 10 über die Zugstange 9 in die in 3C dargestellte Ausgelöst-Stellung bewegt, solange bis das Betätigungselement 2 wieder losgelassen wird und von einer Feder 28 in die in 1 dargestellte AUS-Stellung verbracht wird. Wird das Betätigungselement 2 nicht in der EIN-Stellung festgehalten, so bewirkt die Feder 28, dass das Betätigungselement 2 unmittelbar wieder in die in 1 dargestellte Position verbracht wird. Da die Feder 28 im Vergleich zum Ausknicken des Kniegelenks 6 vergleichsweise träge ist, wird das Kniegelenk 6 beim Auslösen des Fehlerstromschutzschalters 1 aufgrund eines Fehlerstroms zunächst in die in 3C dargestellte, gebeugte Stellung bewegt, wodurch die Schaltkontakte geöffnet werden. Anschließend wird das Betätigungselement 2 durch die vergleichsweise träge Feder 28 in die in 1 dargestellte AUS-Stellung bewegt, wodurch das Kniegelenk 6 aus seiner gebeugten Position wieder gestreckt und ebenfalls in die in 1 dargestellte Position verbracht wird. Dadurch wird auch die Klinke 10 wieder in die in 1 dargestellte Position gebracht, in der sie bei erneutem Einschalten wieder an der Halbwelle 11 verklinkt werden kann.
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Mit Hilfe des Mitnehmers 12 soll das Auslösesignal des Fehlerstromschutzschalters 1 an ein daran angekoppeltes Zusatzmodul, beispielsweise einen Hilfsschalter, einen Fehlersignalschalter oder einen Fernschalter übertragen werden. Hierzu ist der Mitnehmer 12 über das bügelförmige Getriebeelement 13 mit der Klinke 10 gekoppelt. Der aus der schnellen Bewegung der Klinke 10 von der in 3B dargestellten Position in ihre Ausgelöst-Position (in 3C dargestellt) resultierende Impuls wird über das Getriebeelement 13 direkt an den Mitnehmer 12 übertragen, da das Getriebeelement 13 in der in 3B dargestellten Position bereits das Ende der Freilauf-kulisse 14 erreicht hat. Der Mitnehmer 12 wird um ungefähr eine viertel Umdrehung im Gegenuhrzeigersinn in die in 3C dargestellte Position gedreht.
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Der Auslöseimpuls, der von dem Mitnehmer 12 auf das angekoppelte Zusatzmodul bzw. auf die angekoppelten Zusatzmodule übertragen wird, ist nur von kurzer Dauer. Dennoch können auch mehrere Zusatzmodule zuverlässig angesteuert werden, da der Mitnehmer 12 von fast allen Elementen der Schaltmechanik, insbesondere von allen Kontaktfedern und einer Aufreißfeder, welche über das zweite Glied 8 die eingangs beschriebene Druckkraft auf das Kniegelenk 6 ausüben, angetrieben wird. Zusätzlich dazu kommt der Zuverlässigkeit der Impulsübertragung zugute, dass die träge Masse, die beim Übertragen des Impulses an die Zusatzmodule bewegt werden, vergleichsweise hoch ist: hierzu ist nicht nur die bewegte Masse des Mitnehmers 12 zu rechnen, sondern auch die bewegten Massen der Schaltwelle 3, der Bewegkontaktträger 25, des ersten Gliedes 6 und des zweiten Gliedes 8 sowie des Kniegelenks 6, der Zugstange 9, der Klinke 10 sowie des bügelförmigen Getriebeelements 13.
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Die Rückstellung des Mitnehmers in seine in 1 bzw. 2B dargestellte Ausgangsposition erfolgt über eine Mitnehmer-Feder 29, welche im Bereich der Drehachse des Mitnehmers 12 angeordnet ist, durch die Bewegung des Mitnehmers 12 in die in 3C dargestellte Ausgelöst-Position aufgezogen wird und die dabei gespeicherte Energie anschließend bei der Rückstellung des Mitnehmers 12 in die Ausgangsposition wieder abgibt. Die Mitnehmer-Feder 29 ist dabei auch zur RückstellFeder 28 des Betätigungselements 2 vergleichsweise träge ausgelegt, so dass der Hebelarm 17 der Halbwelle 11 gegen das fingerartige Koppelelement 16 des Mitnehmers 12 gedrückt wird. Das Koppelelement 16 bewegt sich somit an dessen kurvenförmigen Außenkontur des Hebelarms 17 entlang, bis deren Ende erreicht ist. Anschließend schiebt sich das Ende des Hebelarms 17 unter das Koppelelement 16, bis der Mitnehmer 12 seine Ausgangsposition wieder erreicht hat.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltmechanik bei einer Auslösung durch ein angekoppeltes Zusatzmodul. In der dargestellten Position wurde der Mitnehmer 12 bereits um einen Winkel von ca. 30° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wobei diese Drehbewegung durch ein angekoppeltes Zusatzmodul (nicht dargestellt) initiiert werden kann. Das fingerartige Koppelement 16 des Mitnehmers 12 treibt bei der Drehbewegung des Mitnehmers 12 den Hebelarm 17 der Halbwelle vor sich her. Die Halbwelle 11 wird dadurch ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn gedreht, bis die Verklinkung der Klinke 10 an der Halbwelle 11 gelöst wird (in 4 dargestellt). Damit der Mitnehmer 12 bei seiner Bewegung nicht durch die verklinkte Klinke 10 und das Getriebeelement 13 blockiert wird, weist die Kopplung zwischen Mitnehmer 12 und Getriebeelement 13 auf Seiten des Mitnehmers 12 einen Freilauf in Form einer am Mitnehmer 12 ausgebildeten Freilauf-Kulisse 14 auf.
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Sobald die Klinke 10 entklinkt ist wird die Schaltmechanik des Fehlerstromschutzschalters 1 ausgelöst; die weitere Bewegung des Mitnehmers 12 ist hierfür ohne Bedeutung. Vorzugsweise wird die Klinke 10 bereits bei einem Mitnehmer-Drehwinkel von 20° bis 25° entklinkt, wodurch ein sicheres Auslösen der Schaltmechanik bereits bei kleinen Drehwinkeln gewährleistet ist. Bei einer weiteren Bewegung des Mitnehmers nach dem Entklinken der Klinke 10 bewegt sich das fingerartige Koppelelement 16 an der Außenkontur des Hebelarms 17 der Halbwelle 11 entlang, ohne dass dies zu einer weiteren Drehung der Halbwelle 11 führt. Die Drehbewegung des Mitnehmers 12 führt - unabhängig von ihrem Drehwinkel - nur zu einer geringen Drehbewegung der Halbwelle 11, die gerade ausreichend groß ist, um ein Entklinken der Klinke 10 herbeizuführen. Aufgrund des geringen Bauraums, der für die Bewegung der Halbwelle 11 benötigt wird, kann die Schaltmechanik vergleichsweise kompakt gestaltet werden.
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In den 5A bis 5D sind einzelner Elemente der erfindungsgemäßen Schaltmechanik schematisch dargestellt.
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5A zeigt den Mitnehmer 12 in einer vergrößerten Darstellung. Eine Aufnahme 30, welche im Bereich einer Drehachse des Mitnehmers 12 ausgebildet ist, dient dazu, ein Koppelelement (nicht dargestellt)- beispielsweise einen Stift oder einen Vierkant - einzustecken und damit ein Zusatzmodul über den Mitnehmer 12 an den Fehlerstromschutzschalter 1 anzukoppeln. Über die Drehbewegung dieses Koppelelements können dann mechanische Steuersignale in Form einer Drehbewegung bidirektional, also sowohl von dem Fehlerstromschutzschalter 1 an das angekoppelte Zusatzmodul, als auch von dem angekoppelten Zusatzmodul an den Fehlerstromschutzschalter 1, übertragen werden. Die Freilauf-Kulisse 14 zur Führung des bügelförmigen Getriebeelements 13 ist im vorliegenden Fall nierenförmig ausgebildet.
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5B zeigt die Halbwelle 11 mit dem daran angeformten Hebelarm 17 in einer vergrößerten Darstellung. Mit Hilfe einer derart gestalteten Halbwelle 11 kann die Verklinkung der Klinke 10 durch von außen auf die Hebelarme 17 und 17A einwirkende Kräfte entklinkt werden. Aufgrund der weit auskragenden Hebelarme 17 und 17A reagiert die Halbwelle 11 sehr empfindlich auf Stöße, Erschütterungen oder Beschleunigungen, da sich der Schwerpunkt des gesamten Bauteils aufgrund der Hebelarme 17 und 17A aus dem Bereich seiner Drehachse D in Richtung der Hebelarme 17 und 17A verlagert. Zur Kompensation dieses Effektes ist eine Ausgleichsmasse 22 an die Halbwelle 11 derart angeformt, dass dadurch der Schwerpunkt des Bauteils wieder in den Bereich seiner Drehachse D zurückverlagert wird. Eine derart gestaltete Halbwelle 11 ist gegen von außen auf sie einwirkende Stöße, Erschütterungen und Beschleunigungen weitgehend unempfindlich, da die daraus resultierenden Trägheitskräfte am Schwerpunkt des Bauteils und damit im Bereich der Drehachse D der Halbwelle 11 angreifen. Die Halbwelle 11 kann folglich nicht durch Erschütterungen oder Beschleunigungen in eine rotatorische Bewegung versetzt werden; eine unbeabsichtigte Auslösung der Schaltmechanik aufgrund von Stöße, Erschütterungen oder Beschleunigungen wird somit vermieden.
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In den 5C und 5D ist der Anlegehebel 27 in zwei verschiednen Ansichten dargestellt. Auch der Anlegehebel 27 weist einen relativ zu seiner Drehachse D weit auskragenden Hebelarm auf, der bewirkt, das auch der Anlegehebel 27 relativ empfindlich auf von außen auf ihn einwirkende Stöße, Erschütterungen und Beschleunigungen reagiert. Aus diesem Grund ist auch am Anlegehebel 27 eine Ausgleichsmasse 22 derart angebracht, dass der Schwerpunkt des gesamten Bauteils wiederum in den Bereich seiner Drehachse verschoben wird. Dadurch ist auch der Anlagehebel gegen Stöße, Erschütterungen und Beschleunigungen weitgehend unempfindlich, wodurch eine unbeabsichtigte Auslösung der Schaltmechanik vermieden wird.
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Sowohl die Ausgleichsmasse 22 des Anlegehebels 27 als auch die Ausgleichsmasse 22 der Halbachse 11 weisen eine oder mehrere Bohrungen auf, um möglichst gleichmäßige Wandstärken für einen möglichst stabilen Spritzgussprozess zu erreichen. Auf diese Weise kann der Ausschuss bei der Herstellung der Bauteile deutlich reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fehlerstromschutzschalter
- 2
- Betätigungselement
- 3
- Schaltwelle
- 4
- Festkontakt
- 5
- Bewegkontakt
- 6
- Kniegelenk
- 7
- erstes Glied
- 8
- zweites Glied
- 9
- Zugstange
- 10
- Klinke
- 11
- Halbwelle
- 12
- Mitnehmer
- 13
- Getriebeglied
- 14
- Freilauf-Kulisse
- 15
- Kurventrieb
- 16
- Koppelelement
- 17
- Hebelarm
- 17A
- weiterer Hebelarm
- 18
- Verklinkungskante der Klinke
- 19
- Verklinkungskante der Halbwelle
- 20
- Gehäuse
- 21
- Auslöserelais
- 22
- Ausgleichsmasse
- 23
- Bohrung
- 24
- Festkontaktträger
- 25
- Bewegkontaktträger
- 26
- Relaisstößel
- 27
- Anlegehebel
- 28
- Feder
- 29
- Mitnehmer-Feder
- D
- Drehachse
