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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schrittschaltvorrichtung für ein Installations-
bzw. Reiheneinbaugerät
mit einem Schaltrad, das mehrere Schaltnocken zum Betätigen eines
Schaltmechanismus und mehrere in Umfangsrichtung gleich verteilte
Steuernocken, mit denen das Steuerrad in Drehbewegung versetzbar
ist, aufweist, wobei jeder der Steuernocken eine Angriffsfläche zur
Kraftübertragung
und eine entsprechend der Gleichverteilung vordefinierte Sollposition
am Umfang des Schaltrads besitzt, und einem Stößel zum Betätigen der Steuernocken des
Schaltrads. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum
Betätigen
einer Schrittschaltvorrichtung durch Drehen eines Schaltrads in
einem ersten Drehschritt vollständig
mit Hilfe eines Magnetsystems.
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Fernschalter
bzw. Stromstoßschalter
verfügen
in der Regel über
ein Schrittschaltwerk. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass
der Stromstoßschalter
mit einem ersten Stromstoß eingeschaltet und
mit einem zweiten Stromstoß wieder
ausgeschaltet wird. Ein typisches Anwendungsgebiet derartiger Stromstoßschalter
sind Räume
mit mehreren Lichtschaltern, mit denen die Raumbeleuchtung betätigt wird.
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Bei
Stromstoßschaltern
mit Schrittschaltwerk ist es notwendig, die nicht lineare, angenähert exponentielle
Kraftlieferung eines ansteuernden Klappanker-Magnetsystems auf die
ebenfalls nicht lineare Kraftforderung der Schaltmechanik zeitlich
abzustimmen. Dies bedeutet, dass das Magnetsystem in jedem Bewegungszustand
genügend
Kraft liefern muss, damit der Schaltvorgang fortgesetzt werden kann.
Da der zur Verfügung
stehende Bauraum beispielsweise in einem Reiheneinbaugerät sehr klein ist,
wird üblicherweise
auch ein kleines Magnetsystem mit entsprechend geringer Kraftlieferung
bzw. kurze Hebelverhältnisse
des Klappankers eingesetzt. Dies führt aufgrund der geringen Hübe beim
Stößel zu einer
schwierigen Abstimmung der Mechanik. Als Folge hieraus ergeben sich
häufig
sehr geringe Kräfte
und Kontaktabstände
für das
Stromübertragungssystem.
Derartige Fernschalter sind aus den Druckschriften
EP 1 024 511 A2 und
DE 35 19 546 C2 bekannt.
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Einen Überblick über Fernschalter
gemäß dem Stand
der Technik gibt auch der Artikel von G. Strauß, "Vorteilhafter Einsatz von Installations-Fernschaltern
(I)", Zeitschrift
de/der elektromeister + deutsches elektrohandwerk, 1/79 – 11 bis
15.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schrittschaltvorrichtung
vorzuschlagen, bei der die Kraftlieferung eines nicht linearen Systems
besser auf die nicht lineare Kraftforderung der Schaltmechanik abgestimmt
ist. Darüber
hinaus soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Schrittschaltvorrichtung
angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Schrittschaltvorrichtung für
ein Installationsgerät
mit einem Schaltrad, das mehrere Schaltnocken zum Betätigen eines
Schaltmechanismus und mehrere in Umfangsrichtung gleich verteilte Steuernocken,
mit denen das Schaltrad in Drehbewegung versetzbar ist, aufweist,
wobei jeder der Steuernocken eine Angriffsfläche zur Kraftübertragung
und eine entsprechend der Gleichverteilung vordefinierte Sollposition
am Umfang des Schaltrads besitzt, und einem Stößel, der zum Betätigen der Steuernocken
des Schaltrads an deren jeweiliger Angriffsfläche angreift, wobei mindestens
einer der Steuernocken des Schaltrads eine Aussparung aufweist,
so dass dessen Angriffsfläche
gegenüber
seiner Sollposition in Umfangsrichtung versetzt ist.
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Ferner
ist erfindungsgemäß vorgesehen
ein Verfahren zum Betätigen
einer Schrittschaltvorrichtung durch Bereitstellen eines Magnetsystems
und eines ersten Federsystems zum Antreiben eines Schaltrads der
Schrittschaltvorrichtung, und Drehen des Schaltrads der Schrittschaltvorrichtung
in einem ersten Drehschritt, der einem ersten Drehwinkel entspricht,
vollständig mit
dem Magnetsystem, sowie Drehen des Schaltrads der Schrittschaltvorrichtung mit
dem Magnetsystem in einem zweiten Drehschritt mit einem zweiten
Drehwinkel, und Drehen des Schaltrads der Schrittschaltvorrichtung
mit dem ersten Federsystem in einem anschließenden dritten Drehschritt
mit einem dritten Drehwinkel, wobei die Summe des zweiten und dritten
Drehwinkels im Wesentlichen dem ersten Drehwinkel entspricht.
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Vorzugsweise
besitzt jeder zweite der Schaltnocken eine Aussparung. Damit kann
ein Einschaltvorgang im ersten Drehschritt mit einem Steuernocken
ohne Aussparung und der Ausschaltvorgang im zweiten zusammen mit
dem dritten Drehschritt mit einem Steuernocken, der eine Aussparung aufweist,
durchgeführt
werden. Eine Ein-Ausschalt-Folge kann dann zyklisch wiederholt werden.
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Das
Schaltrad kann einen Schaltstern mit den Schaltnocken und koaxial
hierzu einen Steuerkranz mit den Steuernocken aufweisen. Besonders bevorzugt
ist ein einteiliges Schaltrad, das aus einem Kunststoff hergestellt
ist. Diese einfach herzustellende Komponente sorgt für die direkte
Umsetzung einer Linearbewegung des Stößels in eine Schrittschaltbewegung.
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Als
vorteilhaft erweist sich ebenfalls, wenn sich die Aussparung nur über einen
Teil des Steuernockens in axialer Richtung erstreckt. Der Vorteil besteht
darin, dass eine Rückstellfeder
an dem Teil des Steuernockens angreifen kann, der nicht von der Aussparung
betroffen ist. Somit kann das Schaltrad nach jedem Drehschritt mit
einer Feder in einer exakt definierten Position unabhängig von
Aussparungen gehalten werden. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass die
Ausgangspositionen für
die Drehschritte in immer gleicher Teilung des Schaltrads in Umfangsrichtung
vorgegeben sind.
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Bei
einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Schrittschaltvorrichtung
ist das Schaltrad durch die Steuernocken in Kreissegmente unterteilt, wobei
jeder Schaltnocken außerhalb der
Mitte des jeweiligen Kreissegments angeordnet ist. Dies gewährleistet,
dass die Schaltnocken zu einem möglichst späten Zeitpunkt
eines Drehschritts an einen Schaltmechanismus zur Ausführung einer
Schaltbewegung angreifen. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Magnetsystem
erst am Ende seiner Zugbewegung, wo es die meiste Kraft aufbringen
kann, den Schaltvorgang ausführt.
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Wie
bereits angedeutet, wird der Stößel vorzugsweise
von einem Magnetsystem angetrieben. Dabei eignet sich am besten
ein Klappankersystem. Dieses System ist einfach herzustellen und
besitzt eine hohe Lebensdauer.
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Die
erfindungsgemäße Schrittschaltvorrichtung
kann ein erstes Federsystem aufweisen, das zum Ausführen einer
Drehbewegung des Schaltrads an einen der Schaltnocken angreift.
Vorteilhaft dabei ist, dass das erste Federsystem, das in der Regel
ohnehin für
den Schaltmechanismus vorhanden ist und mit den Schaltnocken in
Wechselwirkung steht, somit auch für die Drehung des Schaltrads
verwendet werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Schrittschaltvorrichtung weist ein zweites Federsystem
zum Rückstellen des
Stößels und
zum Halten des Schaltrads in definierten Zuständen durch Angriff an die Steuernocken auf.
Somit können – wie oben
bereits angedeutet – wohl
definierte Ausgangspositionen für
die Drehbewegungen bzw. Drehschritte eingenommen werden.
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Die
erfindungsgemäße Schrittschaltvorrichtung
lässt sich
besonders vorteilhaft bei Stromstoßschaltern einsetzen. Hierbei
dient dann ein erster Stromstoß zur
Durchführung
des ersten Drehschritts und ein zweiter Stromstoß zur Durchführung des zweiten
Drehschritts. Der dritte Drehschritt wird automatisch nach dem zweiten
Drehschritt mechanisch fortgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stromstoßschalters
mit Schrittschaltvorrichtung;
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2 ein
Kraft-Weg-Diagramm für
die Kraftforderung der Schaltmechanik und das Kraftangebot eines
Magnetsystems;
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3 eine
Draufsicht auf ein Schaltrad nach dem Stand der Technik;
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4 eine
Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Schaltrad;
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5 eine
Detailansicht von 1, die das Schaltrad in der
Ausgangsposition für
einen Einschaltvorgang zeigt;
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6 eine
perspektivische Ansicht des Schrittschaltwerks von 1 in
einem ersten Zustand des Einschaltvorgangs;
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7 das
Schrittschaltwerk in einem zweiten Zustand des Einschaltvorgangs;
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8 das
Schrittschaltwerk in einem dritten Zustand des Einschaltvorgangs,
der einem ersten Zustand eines Ausschaltvorgangs entspricht;
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9 das
Schrittschaltwerk in einem zweiten Zustand des Ausschaltvorgangs;
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10 das
Schrittschaltwerk in einem dritten Zustand des Ausschaltvorgangs;
und
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11 das
Schaltrad kurz vor der in 5 dargestellten
Endstellung des Ausschaltvorgangs.
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Die
nachfolgend näher
beschriebenen Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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In 1 ist
ein als Stromstoßschalter
bzw. Fernschalter ausgestaltetes Reiheneinbaugerät ohne Deckel und ohne Zwischenwand
in perspektivischer Ansicht dargestellt. In dem Gehäuse 1 befindet sich
ein Schaltmechanismus bestehend aus Festkontakten 2 und
einem Bewegkontakt 3. Der Bewegkontakt 3 ist im
Ausschaltzustand durch ein Federband 4 von den Festkontakten 2 beabstandet.
Der Schaltmechanismus wird mittels eines Schaltrads 5 über das
Federband 4 betätigt.
Der Antrieb des Schaltrads erfolgt über einen Stößel 6.
Die Schaltstellung des Fernschalters wird mit Hilfe eine Schaltstellungsanzeige 7 angezeigt.
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Die
Linearbewegung des Stößels 6 wird durch
einen Klappanker 8 erzielt, der seinerseits durch ein Magnetsystem 9 bewegt
wird. Damit der Stößel 6 nach
der Anzugbewegung durch das Magnetsystem 9 wieder in seine
Ausgangslage zurückkehrt,
ist eine Multifunktionsfeder 10 vorgesehen. Diese Multifunktionsfeder 10 sorgt
auch dafür,
dass sich das Schaltrad 5 nach einem Drehschritt wieder in
einer definierten Position befindet.
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Das
Klappanker-Magnetsystem zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem
großen
Luftspalt bzw. Öffnungswinkel
des Klappankers die Anfangskräfte
sehr gering sind und erst zum Ende der Schließbewegung hin entsprechend
große
Werte vorliegen. Dieses Kraftangebot des Magnetsystems ist in 2 mit
einer annähernd
exponentiellen Funktion in einem Kraft-Weg-Diagramm wiedergegeben (dicke
durchgezogene Linie).
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Auf
der anderen Seite fordert die Mechanik des Schrittschaltwerks für die Betätigung gewisse Kräfte. In 2 ist
die für
einen Einschaltvorgang aufzubringende Kraft in Abhängigkeit
des Weges gestrichelt dargestellt. Man erkennt, dass zu jedem Zeitpunkt
bzw. an jedem Ort vom Magnetsystem genügend Kraft zur Verfügung gestellt
wird, um den Einschaltvorgang zu bewältigen.
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In
gleicher Weise wird für
den Ausschaltvorgang Kraft benötigt.
In 2 ist die Kraftforderung zum Ausschalten mit dünner durchgezogener
Linie dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Kraftforderung sprunghaft
zunimmt und an einem Schnittpunkt 11 die Kurve des Kraftangebots
des Magnetsystems schneidet. Ab diesem Schnittpunkt 11 kann
das System nicht mehr weiterschalten, da die Kraftforderung der
Mechanik beim Ausschaltvorgang zu hoch ist bzw. das Magnetsystem
zu geringe Kräfte
liefert. Das Schaltrad kann damit nicht mehr aus der stabilen Ruhelage
EIN bewegt werden. Allgemein kann festgestellt werden, dass kein
Schaltvorgang stattfindet, wenn die Kraftforderung der Mechanik
unterhalb des Kraftangebots des Magnetsystems liegt.
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Die
Erfindung basiert nun auf dem Gedanken, dass die Kraftforderungskurve
der Mechanik in dem Diagramm von 2 nach rechts
zu verschieben ist, damit sie wieder unter der Kraftangebotskurve
des Magnetsystems liegt. Eine entsprechend verschobene Kraftforderungskurve
ist in 2 gepunktet eingezeichnet. Dies bedeutet, dass
der steile Anstieg der Kraftforderung in Richtung zu einem späteren Zeitpunkt
des Drehvorgangs verschoben ist. Zu diesem Zeitpunkt liefert das
Magnetsystem jedoch bereits ausreichend Kraft, um das System zu
schalten.
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Zur
Umsetzung dieses Gedankens wird erfindungsgemäß ein aus dem Stand der Technik
bekanntes Schaltrad, wie es in 3 dargestellt
ist, verändert.
Das in 3 in Draufsicht dargestellte Schaltrad 5' weist einen
Schaltstern 51' und
einen Steuerkranz 52' auf.
Der Schaltstern 51' besitzt
an seinem Umfang gleich verteilt vier Schaltnocken 511'. Der Steuerkranz 52' besitz am Umfang
verteilt zahnförmige
Steuernocken 521' mit
Angriffsflächen 525', an denen der
Stößel 6 zum
Drehen des Schaltrads 5' ansetzt.
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Das
erfindungsgemäße Schaltrad 5,
wie es in 4 ebenfalls in der Draufsicht
dargestellt ist (in 5 in perspektivischer Darstellung),
weist gegenüber
dem Schaltrad 5' nach
dem Stand der Technik einige Veränderungen
auf. Bedeutendste Veränderung
sind Kerben 522, die bei jedem zweiten Steuernocken 521 vorgesehen
sind. Dadurch ergeben sich ganze Steuernocken 521 und eingekerbte
Steuernocken 523, die abwechselnd am Steuerkranz 52 in
Umfangsrichtung angeordnet sind. Folge der Einkerbungen 522 ist,
dass der Stößel 6 (vergleiche 1)
etwas später
an dem eingekerbten Steuernocken 523 ansetzt verglichen
mit dem Fall eines ganzen Steuernockens 521, da seine Angriffsfläche 525 in
Umfangsrichtung versetzt angeordnet ist. Dadurch verzögert sich
die Kraftforderung durch die Mechanik und der Klappanker 8 des
Magnetsystems 9 hat sich dem vollständig angezogenen Zustand weiter
genähert
und kann so mehr Kraft aufbringen. Dies bedeutet aber auch, dass
die Kraft-Weg-Linie der kraftanfordernden Mechanik (gestrichelt)
nach rechts verschoben ist, so dass sie nun unterhalb der Linie
des Kraftangebots des Magnetsystems liegt. Demzufolge kann ein Ausschaltvorgang
ohne weiteres durchgeführt
werden.
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Eine
weitere Veränderung
des Schaltrads 5 ist in dem Schaltstern 51 vorgenommen.
Dort sind die Schaltnocken 511 tangential gegenüber den
Schaltnocken 511' des
bekannten Schaltrads 5' verschoben.
In dem konkreten Fall von 4 ist der
nach oben weisende Schaltnocken 511 etwas nach links verschoben.
Die Drehrichtung des dargestellten Schaltrads 5 verläuft im Uhrzeigersinn.
Damit greift der Schaltnocken 511 etwas später an das
Federband 4 (vergleiche 1) an, so
dass auch dadurch die Kraftforderung der Mechanik zeitlich verschoben wird.
Dies bedeutet, dass auch dadurch die Kraftanforderungskurve in 2 nach
rechts verschoben wird.
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Anhand
der 5 bis 8 soll nun der Einschaltvorgang
näher dargestellt
werden. 5 zeigt einen Ausschnitt aus 1 mit
dem Schaltrad 5, dem Stößel 6,
den Festkontakten 2, dem Bewegkontakt 3, dem Federband 4 und
der Multifunktionsfeder 10. Das Federband 4 liegt
am Schaltstern 51 des Schaltrads 5 an, so dass
sich die Kontakte 2, 3 in AUS-Stellung befinden.
Der Stößel 6 greift
nicht an einer Angriffsfläche 525 des
Steuerkranzes 52 an. Des Weiteren liegt die Multifunktionsfeder 10 an
der flachen Flanke eines eingekerbten Steuernocken 523 an.
Es ist gut zu erkennen, dass die Einkerbung den Steuernocken 523 nicht
in seiner gesamten axialen Tiefe betrifft, so dass ein Nockenrest 524 bestehen
bleibt, an dem die Multifunktionsfeder 10 auch anliegt.
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Wird
nun der Klappanker 8 durch das Magnetsystem 9 nach
unten gezogen, so greift der Stößel 6 an
das Schaltrad 5, insbesondere den Steuerkranz 52 an,
wie dies in 6 dargestellt ist. Das Kontaktieren
der Stößelspitze
mit dem Schaltrad 5 erfolgt hier bei einer Stellung des
Klappankers 8 von etwa 4,5 °. Das Schaltrad beginnt im weiteren
Verlauf sich zu drehen. Ab diesem Zeitpunkt ist ein erheblicher Kraftaufwand
durch das Magnetsystem 9 notwendig, um die auftretenden
Reibungs- und Federkräfte
aus dem mechanischen System zu überwinden.
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Entsprechend 7 wird
der Stößel beim Anziehen
des Klappankers 8 weiter nach unten gedrückt. Dadurch
drückt
der Schaltnocken 511 das Federband 4 nach unten,
so dass die Kontakte 2, 3 aufeinander gepresst
werden.
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Der
Stößelhub ist
ausreichend, um eine definierte Drehung des Schaltrads 5 um
45 ° zu
erreichen. Eine Sicherung und Fixierung des Schaltrads 5 in
dieser Stellung erfolgt durch die tangential anliegende Multifunktionsfeder 10 und
das Federband 4. Eine leichte Neigung des Schaltrads 5 gegen
den Uhrzeigersinn begünstigt
die Fixierung. Die Multifunktionsfeder 10 wirkt gleichzeitig
als Rückstellsicherung,
da sie mit ih rer Spitze an der Angriffsfläche 525 eines Steuernockens
anliegt und somit eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn verhindert.
Die dargestellte Lage des Schaltrads 5 ist anwendungsbedingt sehr
stabil und erfordert Kraftaufwand, um eine Lageänderung zu erreichen.
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Wenn
die in 7 dargestellte Stellung erreicht und das Magnetsystem 9 stromlos
ist, drückt die
Multifunktionsfeder 10 den Stößel 6 nach oben, so
dass seine Stößelspitze
nicht mehr mit dem Schaltrad 5 in Eingriff steht. Die Stellung
des Schaltrads 5 bleibt davon unberührt (vergleiche 8).
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Der
Ausschaltvorgang des Schrittschaltwerks wird nun im Zusammenhang
mit den 9 bis 11 dargestellt.
Ausgehend von der stabilen Lage von 8 zieht
nun der Klappanker 8 gemäß 9 erneut
an und drückt
den Stößel 6 gegen
das Steuerrad 5. Durch die Formgebung des Schaltrads 5 bzw. des
Schaltsterns 51 kontaktiert der Stößel 6 beim Ausschalten
das Schaltrad 5 erst bei einer Stellung des Klappankers
von hier etwa 3,5 ° im
Gegensatz zu 4,5 ° beim
Einschalten. Dadurch kann das Magnetsystem 9 bereits eine
höhere
Kraft aufbringen um das Schaltrad aus dieser stabilen Stellung,
die durch den Andruck der tangential anliegenden Rückstellfeder 10 und
den Andruck von unten durch das ebenfalls tangential anliegende
Federband 4 an dem Schaltnocken 511 erzeugt wird,
zu bewegen. Durch die Verschiebung der Kontaktierung auf einen späteren Zeitpunkt
kann das Magnetsystem aufgrund des kleineren Luftspalts nun mehr
Kraft aufbringen. Die zu diesem Zeitpunkt erhöhte Geschwindigkeit der bewegten
Teile trägt
auch positiv zu dem Schaltvorgang bei.
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Durch
die Drehung des Schaltrads 5 gemäß 10 wird
nun das Federband 4 wieder entlastet, so dass sich die
Kontakte 2, 3 öffnen.
Der Stößelhub ist
jedoch aufgrund der Kerbe bzw. des eingekerbten Steuernockens beim
Ausschaltvorgang in dieser Phase nicht ausreichend, um eine definierte
Drehung des Schaltrades um 45 ° in
eine vorbestimmte Ruhelage zu errei chen. In der Endstellung des
Stößels erzeugt
ferner die Multifunktionsfeder 10 ein Rückstellmoment entgegen dem
Uhrzeigersinn, d. h. entgegen der angestrebten Drehrichtung.
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In
dieser Position kommt nun wieder das Federband 4 zur Wirkung,
wie dies in 11 dargestellt ist. Das Federband 4 ist
nämlich
derart geformt, dass es durch Druck auf den Schaltnocken 511 ein
Drehmoment im Uhrzeigersinn, d. h. in Richtung der Ruhelage des
Schaltrads 5, erzeugt. Hierzu ist das Federband 4 an
der Kontaktstelle mit dem Schaltnocken 511 so geformt,
dass eine tangentiale Kraft auf den Schaltnocken 511 ausgeübt wird.
Im vorliegenden Beispiel ist das Federband 4 im Kontaktbereich
mit dem Schaltnocken 511 satteldachförmig ausgestaltet.
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Wie
aus 11 ebenfalls zu erkennen ist, befindet sich der
Stößel 6 nicht
mehr im Eingriff mit dem Schaltrad 5 und dennoch wird das
Schaltrad 5 weitergedreht. Dies bedeutet, dass der durch
den Stößel 6 initiierte
Drehschritt des Schaltrads 5 durch einen weiteren Drehschritt
initiiert durch das Federband 4 ergänzt wird. Durch die Rückstellung
des Federbands 4 in seine Ausgangslage (in 11 ist
der Augenblick kurz davor dargestellt) wird gleichzeitig das Schaltrad 5 über den
unsymmetrisch angeordneten Schaltnocken 511 in seine Ruhelage
gedreht. Aus dieser Ruhelage, in der die Multifunktionsfeder 10 an
der flachen Flanke des eingekerbten Steuernockens 523 (vergleiche 5)
anliegt, kann der nächste
Einschaltvorgang erfolgen. Beim erneuten Einschalten entsprechend
den 5 bis 8 dient dann der Nockenrest 524 dazu,
dass die Multifunktionsfeder 10 erst nach einer Drehung
von 45 ° an
den nächsten
Steuernocken 521 schnappt und das Schaltrad 5 in
dieser Stellung fixiert. Somit wird stets eine exakte Ausgangsstellung
für einen
neuen Schaltvorgang erreicht.
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Das
Schaltrad 5 ist günstigerweise
aus Kunststoff hergestellt. Dabei kann es sich um ein Frästeil oder
Spritzgussteil handeln.