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Elektrischer Schnappschalter Die Erfindung betrifft einen elektrischen
Schnappschalter mit einer Schnappfeder, die, wie an sich bekannt, als elastisches,
im ausgebauten Zustand spannungsloses, plattenförmiges Federelement ausgebildet
ist und nach der Einspannung im Schalter an wenigstens vier Punkten so in Längs-
und Querrichtung gebogen ist, daß eine sattelförmige Fläche entsteht.
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Der nachstehend beschriebene Schalter soll sich durch einfachen Aufbau
und einfache Einstellung, Wandelbarkeit seines Verhaltens und verläßliche Arbeitsweise
unter Betriebsbedingungen, die sehr verschieden sein können, also auch durch vielseitigere
Verwendbarkeit gegenüber derartigen bekannten Schaltern auszeichnen. Die äußere
Einwirkung, die den Schnappschalter wirksam werden läßt, kann, wie bekannt, eine
mechanische, auf Deformation der Schnappfeder allzielende Kraft oder eine auf Deformation
abzielende Temperaturänderung sein. Der vorgeschlagene Schnappschalter dient zur
Auslösung elektrischer Schaltvorgänge und wird demgemäß mit elektrischen Schalteinrichtungen
zusammengebaut, ist jedoch auch, wie bekannt, zur Durchführung mechanischer Bewegungsvorgänge,
die eine elektrische Auswirkung nicht zur Folge haben, brauchbar.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Schalter der eingangs genannten Art
beansprucht, daß die Einspannstellen als in der Längsrichtung des Schnappgliedes
von der einen. Seite her und in seiner Ouerrichtung von der anderen Seite her auf
das Schnappglied etwa senkrecht zu seiner Ebene wirkende, von entsprechenden Gehäuseteilen
ausgehende Vorsprünge ausgebildet sind, die das Schnappglied in seiner Lage halten,
wobei ein Vorsprung zur Justierung der Federspannung verstellbar ist, und daß das
Schnappglied bei Betätigung durch eine äußere Kraft nur das Ausmaß der Krümmungen,
nicht aber deren Vorzeichen sprunghaft ändert.
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Es sind Schalter bekannt, deren Schnappfeder aus einem elastischen,
an wenigstens vier Punkten gelagerten, im ausgebauten Zustand ebenen und spannungslosen,
als Platte ausgebildeten Federelement besteht, dessen Krümmung in der Längsrichtung
entgegengesetzt der Krümmung zu den in der Querrichtung liegenden Lagern ist, so
daß die Platte im mittleren Bereich eine Sattelfläche bildet. Diese Sattelfläche
wird jedoch durch Auseinanderspreizen an beiden Federenden erzielt, also durch Kräfte,
die in der Ebene der Schnappfeder wirken. Demgegenüber handelt es sich bei dem vorliegenden
Schnappfederschalter um einen solchen, dessen Federlagerkräfte nur senkrecht zur
Ebene der Schnappfeder angreifen. Während ferner bei der bekannten Bauweise die
Feder beim Schnappvorgang sprunghaft das Vorzeichen der beiden Krümmungen wechselt,
wird hier nur der Betrag der Krümmung spurnghaft geändert, das Vorzeichen bleibt
jedoch gleich.
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Bei der bekannten Ausführung werden die Schnappeigenschaften durch
das Auseinanderspreizen der beiden Federenden, also durch Kräfte, die in der Federebene
wirken, erzielt; dieser Vorgang muß äußerst genau durchgeführt werden, um bei einer
größeren Anzahl von Schnappfedern gleiche Schnappeigenschaften zu gewährleisten,
da das Maß der Spreizung eine sehr enge Toleranz erfordert.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung wird weiterhin
dadurch verändert, daß mit dem Schraubenzieher eine einzige Schraube verstellt wird.
Dies ist naturgemäß einfacher als bei dem bekannten Schalter, bei dem zur Erhaltung
der Symmetrieachse besser zwei Schrauben oder gegebenenfalls einer der Festkontakte
einzustellen sind. Außerdem ergeben sich am Lochrand des bekannten, spreizbaren
Schnappgliedes erhebliche Spannungen, die eventuell zu Rissen in der Feder führen
können. Demgegenüber werden bei dem erfindungsgemäßen Schalter einfache, vorzugsweise
plane, scheibenförmige Federn verwendet, die sich durch eine sehr stetige Spannungsverteilung
auszeichnen. Die Schnappfeder des vorliegenden Schalters kann beispielsweise eine
kreisförmige Scheibe sein, die an vier um 9E1° über den Kreisufang versetzten Punkten
gelagert ist. Der Mittelpunkt dieser
Scheibe wird alsdann, je nachdem,
welche der beiden. möglichen Satterflächen gebildet wurde, entweder eine obere oder
untere äußerste Lage einnehmen.
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Die schematische Zeichnung enthält beispielsweise Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Schnappfederschalters und dient auch der Erläuterung weiterer
Merkmale desselben.
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Fig. 1 bis 3 erläutern die Wirkungsweise; Fig. 4 bis 9 zeigen einige
mögliche Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaltwerks; Fig. 10 bis 12 dienen
der Erläuterung der Wirkungsweise des vorliegenden Schalters.
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Bei den zwei dargestellten Endlagen, der Schnappfeder gemäß Fig. 1
und 2 erkennt man eine Feder 1, im wesentlichen in Plattenform, aus geeignetem elastischem
Matereial, beispielsweise Federbronze, bestehend. Die Feder besitzt, um sie weicher
zu machen, jedoch nicht aus prinzipiellen Gründen (wodurch sie sich von bekannten
Schnappfedern unterscheidet), vier Schlitze 2 und ferner einen Schaftfortsatz 3,
der z. B. einen Schalterkontakt 4 trägt, der mit einem ortsfesten Gegenkontakt 5
zusammenarbeitet. Die Feder ist bei P1, P2, P3 und P4 so eingespannt, daß die Mittellinien
x-x und y-y in entgegengesetzter Richtung gekrümmt sind, d. h. eine Sattelfläche
bilden.
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In der aus Fig. 1 ersichtlichen Stellung ist die Mittellinie x-x so
stark gekrümmt, daß sich die Kontakte 4, 5 nicht berühren. Läßt man nun eine Kraft
P5 außerhalb des Auflagers P4 in der gezeichneten Richtung auf der Federplatte 1
wirken, so verflacht sich die Mittellinie x-x, und die Mittellinie y-y nimmt eine
stärkere Krümmung an, wodurch der Kontakt 4 auf den Kontakt 5 zur Auflage kommt.
Die Lage der Einspannpunkte der Feder, d. h. jener Punkt, in welchem die Haltekräfte
P1 bis -P4 auf die Platte 1 wirken, erfährt durch diesen Schnappvorgang keine Veränderung.
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Es ist ersichtlich, daß die Schnappfeder bei entsprechender durch
die Einspannung bedingter Vorspannung zwei Grenzlagen besitzt, in welchen sie jeweils
eine Sattelfläche bildet, wobei der Übergang von der einen in die andere Lage sprunghaft
erfolgt. Unter der Voraussetzung, daß die Feder im entspannten Zustand eben ist,
ergibt sich, daß in der einen Grenzlage die eine Achse x-x eine geringe und die
andere Achse y-y eine stärkere Krümmung besitzt, wogegen in der zweiten Grenzlage
die erste Achse x-x stärker und die zweite Achse y-y schwächer gekrümmt ist. Je
nach der Größe der Vorspannung können entweder beide Grenzlagen stabil oder eine
stabil und eine unstabil .sein. Infolge der besonderen Lagerung herrschen innerhalb
der Feder Spannungsverhältnisse, durch welche ein sprunghafter Übergang von der
einen Grenzlage in die andere bedingt ist, wie später näher erläutert wird.
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Es ist einzusehen, daß man das Verhalten der Feder nicht nur durch
die Wahl des Materials und der Vorspannung, sondern auch dadurch verändern kann,
daß man die Abstände a, b (Fig. 3) der einzelnen Lagerpunkte entsprechend
wählt. Führt man wenigstens einen der Einspannpunkte, zweckmäßig P3 oder P4 (Fig.
3) so aus, daß man die Lage dieser Punkte nach Höhe und/oder Abstand von den restlichen
Punkten verändern kann, so ist damit eine Möglichkeit geschaffen, das Verhalten
der Feder in weiten Grenzen zu verändern.
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Die Fig. 4 bis 6 zeigen Schnappfedern mit verschieden ausgeführten
und angeordneten Schlitzen bzw. Durchbrechungen, welche den Schlitzen 2 der Fig.
1 und 2 entsprechen und. ähnliche Wirkungen haben. Fig. 7 zeigt eine Schnappfeder
in der bereits oben angeführten Form einer Kreisscheibe mit im Kreismittel angeordnetem
Schaltkontakt 6. Fig. 8 zeigt eine Abänderung der kreisförmigen Federscheibe mit
einem kontaktragenden Fortsatz 7. Außerdem ist gemäß der Ausführungsform nach Fig.
8 daran gedacht, daß die Scheibe 8 von insgesamt drei Betätigungskräften P5 PS"
und P5 " beeinflußt wird, was zur Folge haben wird, daß die Scheibe je nach
der Lage und Größe der Gesamtresultierenden schnappen wird oder nicht. Die Ausführungsform
nach Fig. 9 ist aus der Platte nach den Fig. 1 und 2 bzw. 4 entstanden und unter;
scheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 durch zwei zusätzilche Betätigungsarme
9, 10, die zur Ableitung eines komplizierten Schalt- bzw. Steuerprogramms verwendet
werden können.
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Um die Voraussetzungen, die für das Eintreten des Schnappvorganges
der vorliegenden Schnappfeder maßgebend sind, klarzustellen, seien an Hand der Fig:
10 bis 12 einige Betrachtungen angestellt: Die in vier Punkten gelagerte Feder sei
zunächst so lose eingespannt, daß kein Schnappvorgang eintritt. Der Einfachheit
halber soll auch die Betätigung der Feder über ein starres System und nicht über
ein elastisches erfolgen, wie es ja meistens der Fall ist. Ermittelt man für den
angeführten Fall die Funktion der Betätigungskraft PS über dem Betätigungsweg S5,
so wird sich ein Kurvenverlauf wie in F ig. 10 dargestellt ergeben. Diese Kurve
hat einen Wendepunkt a und -durch ihn eine Wendetangente g bestimmter Neigung. Vergrößert
man nun durch irgendeine Maßnahme die Krümmung der Feder, was z. B. durch Höhenverstellen
eines ihrer Auflager@geschehen kann, so wird die Wendepunkttangente g der Kennlinie
immer steiler werden, bis sie schließlich bei einer kritischen Vorspannung der Feder
vertikal steht (vgl. Fig. 11). Diese kritische Vorspannung, die vom Material, der
Form der Feder und der gegenseitigen Lage der Höhe der Auflagepunkte abhängt, ist
maßgebend für das Auftreten eines Schnappvorganges. Es tritt jedoch bei der kritischen
Vorspann.ung noch kein Schnappen im eigentlichen Sinne auf, vielmehr hat die Schnappfeder
einen sogenannten »schleichenden Durchgang«. Wird nun die Vorspannung über den kritischen
Wert hinaus erhöht (Fig. 12), so kann man von einem Schnappvorgang sprechen.
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Aus Fig. 12 kann man nun folgendes entnehmen: Drückt man von oben
auf die Schnappfeder, so wird die Betätigungskraft, von Null ausgehend, wie in Fig.
11 den Punkt ca der Kurve erreichen und sodann bei gleichbleibendem Federweg sprunghaft
den Wert b annehmen. Dieser Wert kann je nach Feder- und Lagerausführung positiv
oder negativ sein. Die Feder befindet sich nun in einer anderen Extremlage, so wie
sie in Fig.2 als zweite Stellung einer Feder nach Fig. 1 gezeichnet ist. Drückt
man nun weiter von oben auf die Feder, so nimmt die Betätigungskraft wieder stetig
zu. Im umgekehrten Falle, wenn man also den Betätigungsweg wieder vermindert, nimmt
die Kraft zum Punkt C ab, um dann wieder sprunghaft bei konstantem Weg auf den Wert
d anzusteigen. Bei weiterer Wegverminderung erreicht man dann wieder die ursprüngliche
Extremlage; es wurde somit ein Arbeitszyklus des Schnappschalters durchlaufen. Die
Krümmung der Feder ändert sich zwar während des Schnappens sprunghaft, es ist jedoch
nicht nötig, daß sie ihr Vorzeichen wechselt.
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Die Fig. 1 und 2 stellen, wie schon vorher erwähnt, die Endlagen der
Feder dar. In beiden Fällen weist die Krümmung der Linie x-x ebenso wie die der
Linie
y-y dasselbe Vorzeichen auf. Man sieht jedoch deutlich, daß sich das Maß der Krümmung
während des Schnappens sprunghaft geändert hat, und. zwar ist die Krümmung der Linie
x---r schwächer und jene der Linie y-y stärker geworden. Es ist möglich, die Schnappfeder
als solche, d. h. die noch nicht eingespannte Feder plan oder vorgebogen auszuführen.
Im letzteren, speziellen Fall können die vier Auflagepunkte in einer Ebene liegen,
wobei trotzdem ein Schnappvorgang eintreten kann.
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Das vorliegende Schnappfederschaltwerk kann so ausgeführt werden.,
daß die Feder nach Fortfall der Betätigungskraft wieder in ihreAusgangslage zurückspringt
oder nicht. Außerdem ist es möglich und oft zweckmäßig, die Auflagerpunkte so anzuordnen,
daß durch ihre Verstellung - zwecks Einstellung der Federvorspannung - der Schaltarm
wenig oder gar nicht ausgelenkt wird.
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Es ist ersichtlich, daß zur Einleitung der Schnappbewegung eine Krümmungsänderung
der Feder erforderlich ist. Um diese hervorzubringen, kann man die Feder mit einem
Heizelement versehen, damit die mit der Erwärmung verbundene Dehnung der Platte
den Schnappvorgang auslöst; man kann auch einen Bimetallstreifen mit der Feder verbinden
oder letztere selbst bimetallisch ausführen. Auf diese Weise kommt man zu einem
überaus einfachen und verläßlich wirkenden thermostatischen. Schnappschalter.