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Die Erfindung richtet sich auf eine Kontaktfeder zum Überbrücken eines elektrischen Kontaktes zwischen einer Kontaktbuchse und einem Kontaktstift. Weiter richtet sich die Erfindung auf eine Kontaktbuchsenanordnung, welche eine ein Gehäuse aufweisende Kontaktbuchse und eine Kontaktfeder aufweist, wobei die Kontaktfeder in einem Innenraum eines Gehäuses der Kontaktbuchse angeordnet ist. Ferner richtet sich die Erfindung auf ein Kontaktsystem.
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Zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktes zwischen einer Kontaktbuchse und einem Kontaktstift ist es insbesondere für Anwendungen im Hochstrombereich bekannt, eine Kontaktfeder zwischen der Kontaktbuchse und dem Kontaktstift anzuordnen. Als Kontaktfeder werden häufig Torsionsfedern eingesetzt, welche eine Vielzahl von Kontaktlamellen aufweisen, die in Folge einer Druckbeaufschlagung jeweils tordiert werden. Die Verwendung von Torsionsfedern als Kontaktfeder weist jedoch einige Nachteile auf. Die Torsionsfeder beansprucht im Vergleich zu anderen Federprinzipien bei vergleichbarer Kontaktnormalkraft mehr Bauraum und weist eine wesentlich höhere Streckgrenze auf. Die Kontaktlamellen der Torsionsfeder definieren einen Linienkontakt, wodurch hohe Steck- und Ziehkräfte bei Ausbildung einer Kontaktierung mit einem Kontaktstift und einer Kontaktbuchse aufgebracht werden müssen, da in Verbindung mit der Kontaktnormalkraft eine hohe Flächenpressung ausgebildet wird. Dies führt wiederum zu einem hohen Verschleiß der Kontaktfeder, aber auch dem Kontaktstift und der Kontaktbuchse, insbesondere bei häufigen Steck- und Ziehvorgängen. Des Weiteren bestehen Torsionsfedern üblicherweise aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung (CuBe-Legierung). Kontaktfedern aus einem Material mit einer CuBe-Legierung weisen eine Streckgrenze von mehr als 1000 MPa auf. Bei der Herstellung von CuBe-Legierungen werden jedoch krebserregende Stäube abgegeben, wodurch die Herstellung nur mittels eines hohen Sicherheitsaufwandes möglich ist. Zudem dürfen Abfälle, welche CuBe enthalten nicht mit anderen Kupfer-Abfällen gemischt werden, so dass auch hier ein Zusatzaufwand in der Fertigung und Probleme beim Recycling auftreten. Ferner ist die CuBe-Legierung auch in Bezug auf ihre Eigenschaften, insbesondere ihrer elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, anderen Cu-Legierungen unterlegen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher die Eigenschaften einer Kontaktfeder, insbesondere in Bezug auf eine höhere Verschleißbeständigkeit der Kontaktfeder, verbessert werden können.
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Bei einer Kontaktfeder der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontaktfeder ein erstes Ringelement, ein parallel zu dem ersten Ringelement angeordnetes zweites Ringelement und eine Vielzahl von zwischen dem ersten Ringelement und dem zweiten Ringelement angeordneten stegförmigen Kontaktlamellen aufweist, wobei jede stegförmige Kontaktlamelle der Vielzahl von stegförmigen Kontaktlamellen entlang ihrer Längsachse eine erste Wölbung und eine zu der ersten Wölbung entgegengesetzt gerichtete zweite Wölbung aufweist, wobei die erste Wölbung einen ersten Kontaktpunkt zur Kontaktierung mit der Kontaktbuchse oder dem Kontaktstift und die zweite Wölbung einen zweiten Kontaktpunkt zur Kontaktierung mit dem Kontaktstift oder der Kontaktbuchse ausbildet.
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Bei einer Kontaktbuchsenanordnung der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontaktfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
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Weiter wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Kontaktsystem gelöst, welches eine Kontaktbuchsenanordnung nach Anspruch 6 und einen Kontaktstift aufweist, wobei der Kontaktstift in den Innenraum des Gehäuses der Kontaktbuchse eingeführt ist und kontaktierend an der Kontaktfeder anliegt.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Kontaktfeder gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktlamellen der Kontaktfeder keinen Linienkontakt mehr, sondern einen Flächenkontakt ausbilden, wodurch aufgrund der dadurch reduzierten Flächenpressung der Verschleiß der Kontaktfeder reduziert werden kann. Zudem treten an der Kontaktfeder 40% weniger mechanische Spannungen bei vergleichbaren Kontaktnormalkräften auf. Dies wird erreicht, indem die Kontaktfeder eine Vielzahl von stegförmigen Kontaktlamellen aufweist, welche zueinander beabstandet angeordnet sind und derart geformt sind, dass jede stegförmige Kontaktlamelle mehr als einen Kontaktpunkt aufweist, so dass die Kontaktfeder über ihren Umfang eine Vielzahl von Kontaktpunkten aufweist, über welche der Strom mit einem geringeren Engewiderstand verteilt werden kann. Die Kontaktfeder selber weist einen relativ einfachen Aufbau auf, so dass deren Herstellung kostengünstig erfolgen kann. An ihren beiden Endabschnitten weist die kreisringförmig geformte Kontaktfeder jeweils ein Ringelement auf, so dass die Ringelemente beidseitig jeweils einen Käfig ausbilden und die stegförmigen Kontaktlamellen stützen. Zwischen den Ringelementen ist eine Vielzahl von stegförmigen Kontaktlamellen angeordnet, welche vorzugsweise entlang ihrer Längsachse einen konstanten Querschnitt aufweisen. Mit ihren beiden Endabschnitten sind die stegförmigen Kontaktlamellen jeweils einstückig mit den Ringelementen verbunden. Die stegförmigen Kontaktlamellen sind dabei derart ausgebildet, dass diese bei einer Druckbeaufschlagung nicht tordiert werden. Entlang ihrer Längsachse weisen die stegförmigen Kontaktlamellen jeweils eine erste Wölbung und eine zweite Wölbung auf, in welchen die stegförmigen Kontaktlamellen jeweils eine Biegung aufweisen. Die beiden Wölbungen sind dabei hintereinander entlang der Längsachse und beabstandet von den Ringelementen angeordnet. Durch die beiden entgegengesetzt zueinander gerichteten Wölbungen sind die stegförmigen Kontaktlamellen im Wesentlichen s-förmig gebogen ausgebildet. Jede Wölbung bildet einen definierten Kontaktpunkt aus, wobei dadurch, dass die beiden Wölbungen einer stegförmigen Kontaktlamelle entgegengesetzt zueinander gerichtet sind, kontaktiert eine der zwei Wölbungen einer stegförmigen Kontaktlamelle mit der Kontaktbuchse und die andere der zwei Wölbungen der stegförmigen Kontaktlamelle kontaktiert mit dem in die Kontaktbuchse eingeführten Kontaktstift. Hierdurch und durch die Vielzahl von über den Umfang der Kontaktfeder ausgebildeten Kontaktpunkten können die notwendigen Steck- und Ziehkräfte zum Kontaktieren eines Kontaktstiftes mit der Kontaktbuchse über die Kontaktfeder reduziert und gleichzeitig vergleichmäßigt werden, wodurch eine homogene Spannungsverteilung über den Umfang der Kontaktfeder erreicht werden kann, was wiederum zu einer geringeren Belastung der einzelnen stegförmigen Kontaktlamellen führt, wodurch der Verschleiß der stegförmigen Kontaktlamellen und der Kontaktfeder reduziert werden kann, und insbesondere ein Ausbrechen einzelner stegförmiger Kontaktlamellen aus der Kontaktfeder auch bei einem häufigen Stecken verhindert werden kann, so dass die Kontaktfeder eine höhere Lebensdauer aufweist. Alternativ zu den zwei zueinander entgegengesetzt gerichteten Wölbungen pro Kontaktlamelle ist es jedoch auch möglich, dass pro Kontaktlamelle mehr als zwei Wölbungen und damit mehr als zwei Kontaktpunkte vorgesehen sind. Bei mehr als zwei Wölbungen sind die jeweils benachbart zueinander ausgebildeten Wölbungen vorzugsweise jeweils entgegengesetzt zueinander gerichtet ausgebildet. Durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Kontaktfeder können auch die Verschleißerscheinungen einer Kontaktbuchsenanordnung und eines Kontaktsystems reduziert werden, so dass auch die Lebensdauer und damit die Länge der Einsatzfähigkeit einer Kontaktbuchsenanordnung und eines Kontaktsystems erhöht werden können. Durch die geringe Flächenpressung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kontaktfeder können auch die Beanspruchung und damit der Verschleiß des Kontaktstiftes und der Kontaktbuchse reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Kontaktfeder gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine erste Wölbung einer ersten stegförmigen Kontaktlamelle in eine Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung einer ersten Wölbung einer benachbart zu der ersten stegförmigen Kontaktlamelle angeordneten zweiten stegförmigen Kontaktlamelle ausgebildet ist und eine zweite Wölbung der ersten stegförmigen Kontaktlamelle in eine Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung einer zweiten Wölbung der benachbart zu der ersten stegförmigen Kontaktlamelle angeordneten zweiten stegförmigen Kontaktlamelle ausgebildet ist, so dass die erste Wölbung der ersten stegförmigen Kontaktlamelle in die gleiche Richtung ausgebildet ist wie die zweite Wölbung der zweiten stegförmigen Kontaktlamelle und die zweite Wölbung der ersten stegförmigen Kontaktlamelle in die gleiche Richtung ausgebildet ist wie die erste Wölbung der zweiten stegförmigen Kontaktlamelle. Durch diese wechselseitige Richtung der Wölbungen und damit der wechselseitigen Anordnung der Kontaktpunkte können die notwendigen Zieh- und Steckkräfte weiter reduziert werden. Benachbart zueinander ausgebildete Wölbungen, sowohl an derselben stegförmigen Kontaktlamelle als auch von benachbart zueinander angeordneten stegförmigen Kontaktlamellen, sind bei dieser Ausgestaltung somit immer entgegengesetzt zueinander gerichtet bzw. ausgebogen. Hierdurch wird erreicht, dass, über den Umfang der Kontaktfeder gesehen, auch die Kontaktierung der Kontaktfeder mit der Kontaktbuchse und dem Kontaktstift wechselseitig erfolgt.
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Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Kontaktfeder eine in radialer Richtung der Kontaktfeder ausgebildete schlitzförmige Öffnung aufweist, welche sich über das erste Ringelement und das zweite Ringelement erstreckt. Durch die schlitzförmige Öffnung weist die Kontaktfeder in radialer Richtung zwei sich gegenüberliegende Enden auf, wobei der Abstand der beiden Enden zueinander variierbar ist. Hierdurch kann die Kontaktfeder an die Abmaße des Innenraumes des Gehäuses der Kontaktbuchse, in welchem die Kontaktfeder angeordnet ist, angepasst werden. Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Kontaktfeder die stegförmigen Kontaktlamellen durch die Ringelemente gestützt werden, weisen auch die an den beiden Enden angeordneten stegförmigen Kontaktlamellen die gleiche Kraftwirkung auf, wie die restlichen, über den Umfang der Kontaktfeder verteilten stegförmigen Kontaktlamellen auf.
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Nach einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Kontaktfeder ist die Kontaktfeder nicht mehr durch eine CuBe-Legierung ausgebildet, sondern die Kontaktfeder ist aus einem kupferhaltigen Material ausgebildet, welches eine Streckgrenze von 550 MPa ≤ Rp0,2 ≤ 600 MPa aufweist. Hierdurch kann die Streckgrenze der Kontaktfeder gegenüber Kontaktfedern aus einer CuBe-Legierung deutlich reduziert werden, wodurch die Steck- und Ziehkräfte und damit die auf die Kontaktfeder wirkenden Spannungen weiter reduziert werden können. Dies ermöglicht zudem die Verwendung von toxikologisch unbedenklicheren Cu-Legierungen für das Material der Kontaktfeder. Zudem kann im Vergleich zu CuBe-Legierungen eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit des Materials der Kontaktfeder und damit auch der stegförmigen Kontaktlamelle erreicht werden. Dies wiederum bewirkt eine geringere Erwärmung der gesamten Kontaktfeder, wodurch die Belastung der Kontaktfeder, insbesondere des Materials der Kontaktfeder, reduziert werden kann. Aufgrund der relativ geringen Streckgrenze des verwendeten kupferhaltigen Materials können zudem höhere Standzeiten der bei der Fertigung verwendeten Werkzeuge, insbesondere der Stanz-Biege-Werkzeuge, erreicht werden.
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Vorzugsweise ist das für die Kontaktfeder verwendete kupferhaltige Material eine CuNiSi-Legierung (Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung), welche eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine geringe Streckgrenze und eine hohe Steifigkeit aufweist und umweltschonender verarbeitet und auch wieder recycelt werden kann. Zudem kann die Fertigung der Kontaktfeder durch die Verwendung einer CuNiSi-Legierung als kupferhaltiges Material vereinfacht werden, da dieses Material weniger Fertigungsschritte benötigt als beispielsweise ein Material aus einer CuBe-Legierung. Insbesondere das bei einer CuBe-Legierung notwendige Anlassen ist bei einer CuNiSi-Legierung nicht mehr notwendig. Besonders bevorzugt ist das kupferhaltige Material der Kontaktfeder eine CuNi3Si1Mg-Legierung.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Kontaktfeder gemäß der Erfindung, und
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2 eine schematische Darstellung einer Kontaktbuchsenanordnung gemäß der Erfindung mit einem Kontaktstift.
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In 1 ist eine Kontaktfeder 1 gemäß der Erfindung schematisch gezeigt. Die Kontaktfeder 1 weist ein erstes Ringelement 2 und ein parallel zu dem ersten Ringelement 2 angeordnetes zweites Ringelement 3 auf. Zwischen dem ersten Ringelement 2 und dem zweiten Ringelement 3 ist eine Vielzahl von stegförmigen Kontaktlamellen 4 angeordnet. Die stegförmigen Kontaktlamellen 4 sind derart zwischen den Ringelementen 2, 3 angeordnet, dass die stegförmigen Kontaktlamellen 4 mit ihrer Längsachse jeweils in einem rechten Winkel zu den Ringelementen 3, 4 angeordnet sind. Die stegförmigen Kontaktlamellen 4 erstrecken sich mit ihrer Längsachse in radialer Richtung der Kontaktfeder 1, wobei die stegförmigen Kontaktlamellen 4 nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbart zueinander angeordneten stegförmigen Kontaktlamellen 4 jeweils ein Spalt 5 ausgebildet ist. Die Breite der stegförmigen Kontaktlamellen 4 entspricht bei der hier gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen der Breite der Ringelemente 2, 3.
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Jede stegförmige Kontaktlamelle 4 weist entlang ihrer Längsachse eine erste Wölbung 7 und eine zweite Wölbung 8 auf, wobei die beiden Wölbungen 7, 8 entgegengesetzt zueinander ausgerichtet bzw. ausgebogen sind, so dass die stegförmigen Kontaktlamellen 4 im Wesentlichen s-förmig ausgebildet sind. Die erste Wölbung 7 bildet dabei einen ersten Kontaktpunkt aus und die zweite Wölbung 8 bildet einen zweiten Kontaktpunkt aus. Einer der beiden Kontaktpunkte bildet in einem kontaktierenden Zustand eine Kontaktierung mit einer Kontaktbuchse 9, wie sie in 2 gezeigt ist, und der andere der beiden Kontaktpunkte bildet in dem kontaktierenden Zustand eine Kontaktierung mit einem Kontaktstift 10, welcher dann in die Kontaktbuchse 9 eingeführt ist, aus. Liegt beispielsweise die erste Wölbung 7 im kontaktierenden Zustand an der Kontaktbuchse 9, insbesondere einer Innenwand 11 eines Gehäuse 12 der Kontaktbuchse 9, an, so bildet die erste Wölbung 7 den Kontaktpunkt mit der Kontaktbuchse 9 aus. Die zweite Wölbung 8 liegt dann im kontaktierenden Zustand an dem Kontaktstift 10 an, so dass die zweite Wölbung 8 den Kontaktpunkt mit dem Kontaktstift 10 ausbildet. Jede Kontaktlamelle 4 liegt somit über die entsprechende Wölbung 7, 8 sowohl an der Kontaktbuchse 9 als auch an dem Kontaktstift 10 an.
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Bei jeweils zueinander benachbart angeordneten stegförmigen Kontaktlamellen 4a, 4b sind die erste Wölbung 7a, 7b und die zweite Wölbung 8a, 8b wechselseitig ausgerichtet. So ist eine erste Wölbung 7a einer ersten stegförmigen Kontaktlamelle 4a in eine Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung einer ersten Wölbung 7b einer benachbart zu der ersten stegförmigen Kontaktlamelle 4a angeordneten zweiten stegförmigen Kontaktlamelle 4b ausgebildet und eine zweite Wölbung 8a der ersten stegförmigen Kontaktlamelle 4a ist in eine Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung einer zweiten Wölbung 8b der benachbart zu der ersten stegförmigen Kontaktlamelle 4a angeordneten zweiten stegförmigen Kontaktlamelle 4b ausgebildet. Somit ist die erste Wölbung 7a der ersten stegförmigen Kontaktlamelle 4a in die gleiche Richtung ausgebildet wie die zweite Wölbung 8b der zweiten stegförmigen Kontaktlamelle 4b, und zwar hier in Richtung der Innenseite der Kontaktfeder 1. Die zweite Wölbung 8a der ersten stegförmigen Kontaktlamelle 4a ist hingegen in die gleiche Richtung wie die erste Wölbung 7b der zweiten stegförmigen Kontaktlamelle 4b ausgebildet, und zwar hier in Richtung der Außenseite der Kontaktfeder 1.
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Die Kontaktfeder 1 weist ferner in radialer Richtung eine schlitzförmige Öffnung 13 auf, so dass die ringförmige Kontaktfeder 1 nicht vollständig geschlossen ist. Durch die schlitzförmige Öffnung 13 weist die Kontaktfeder 1 in radialer Richtung zwei sich gegenüberliegende Enden 14, 15 auf, wobei der Abstand der beiden Enden 14, 15 zueinander durch Biegen der Kontaktfeder 1 variierbar ist. Die schlitzförmige Öffnung 13 erstreckt sich in radialer Richtung über die gesamte Kontaktfeder 1, so dass die Ringelemente 2, 3 in dem Bereich der schlitzförmigen Öffnung 13 aufgetrennt sind.
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Die Kontaktfeder 1 ist aus einem kupferhaltigen Material mit einer CuNiSi-Legierung ausgebildet.
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2 zeigt die Anordnung einer wie in 1 gezeigten Kontaktfeder 1 innerhalb einer Kontaktbuchse 9, wobei die Kontaktfeder 1 in einen Innenraum 16 des Gehäuses 12 eingeführt ist und mit den entsprechenden Kontaktpunkten an einer Innenwand 11 des Innenraumes 16 des Gehäuses 12 anliegt. Zur sicheren Fixierung der Kontaktfeder 1 innerhalb der Kontaktbuchse 9 wird die Kontaktfeder 1 über ihre Ringelemente 2, 3 in dem Innenraum 16 des Gehäuses 12 der Kontaktbuchse 9 verspannt. 2 zeigt einen Zustand, bei welchem der Kontaktstift 10 noch nicht in die Kontaktbuchse 9 eingeführt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktfeder
- 2
- Erstes Ringelement
- 3
- Zweites Ringelement
- 4, 4a, 4b
- Kontaktlamelle
- 5
- Spalt
- 7, 7a, 7b
- Erste Wölbung
- 8, 8a, 8b
- Zweite Wölbung
- 9
- Kontaktbuchse
- 10
- Kontaktstift
- 11
- Innenwand
- 12
- Gehäuse
- 13
- Schlitzförmige Öffnung
- 14
- Erstes Ende
- 15
- Zweites Ende
- 16
- Innenraum
