DE3236250A1

DE3236250A1 - Elektrische schaltvorrichtung, elektrischer schalter und verfahren zum betaetigen derselben

Info

Publication number: DE3236250A1
Application number: DE19823236250
Authority: DE
Inventors: Ronald Wilmer 61270 Morrison Ill. Kelly; Paige Wilson Thompson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-06-24
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1983-12-29
Anticipated expiration: 2002-10-01
Also published as: MX165224B; IT8223542A0; FR2529381B1; US4490708A; DE3236250C2; JPS58225523A; GB2123211B; JPH0437528B2; IT1152852B; GB2123211A; CA1194909A; FR2529381A1

Description

Elektrische Schaltvorrichtung, elektrischer Schalter
und Verfahren zum Betätigen derselben

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Schaltkreissteuerungen und betrifft insbesondere eine verbesserte zustandsempfindliche elektrische Schaltvorrichtung, einen verbesserten elektrischen Schalter und ein verbessertes Verfahren zum Betätigen derselben.

Elektrische Schalter, insbesondere diejenigen, die bei der Steuerung von elektrischen Schaltkreisen in Haushaltsgeräten benutzt werden, werden häufig durch Änderungen in der Temperatur, im Druck, in Flüssigkeitsständen, in der elektrischen Leistung od.dgl. betätigt und haben verschiedene Betätigungselemente, wie beispielsweise Bimetalle, Bälge,
Schwimmer und Magnetanker od.dgl. Solche Betätigungselemente müssen ausreichend groß sein, um die Kontakte zum Schalten der elektrischen Belastung durch relativ starke Ströme für

eine große Anzahl von störungsfreien Schaltspielen, beispielsweise für mehr als 100.000 Schaltspiele unter Belastung in einem besonderen Anwendungsfall/ richtig betätigen zu können. Es ist äußerst erwünscht, die Größe der Einheit klein und kompakt und im Preis niedrig zu halten, wobei trotzdem die Komponenten der Einheit ausreichend robust sein müssen, um über lange Zeitspannen fehlerfrei arbeiten zu können. Darüber hinaus ist es erwünscht, die Differenz in der Arbeitssubstanz, wie Temperatur-,Druckänderungen od. dgl., für beste Steuermöglichkeiten innerhalb kleiner Grenzen aufrechtzuerhalten. Die Schalter sollten außerdem vielseitig sein, es sollte im wesentlichen kein Kontaktprellen auftreten, das eine Lichtbogenbildung und eine Verschweißung der Kontakte verursachen könnte, und die Schalter sollten ausreichenden Kontaktschleifweg, beispielsweise 0,25 mm (Q.010 inch) haben, so daß sich Verschleiß nicht nachteilig auf die Betriebseigenschaften des Schalters auswirkt. Darüber hinaus sollten sich vorstehende Merkmale erzielen lassen, ohne daß es notwendig ist, bestehende Schalter vollständig umzukonstruieren. Diese vorteilhaften Merkmale und erwünschten Eigenschaften sollten auf wirtschaftliche und trotzdem äußerst effektive Weise erzielt werden.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten elektrischen Schalter und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, die die oben erwähnten wichtigeren erwünschten Merkmale ergeben.

Ferner soll eine verbesserte elektrische Schaltvorrichtung geschaffen werden, die einen robusten und wirtschaftlichen Aufbau hat, relativ kompakt und in der Lage ist, über eine lange Zeitspanne störungsfrei zu arbeiten, und dabei Komponenten enthält, die verstärkte Kontaktkräfte liefern.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine verbesserte elektrische Schaltvorrichtung geschaffen, die sowohl einen

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positiven als auch einen negativen Gradienten hat, wobei die Schalteinrichtung wahlweise insgesamt zwischen zwei Schaltarten über eine anfängliche Kontaktschließ-öffnungsstellung bzw. Kontaktwechselstellung verstellbar ist. Eine elastische Vorrichtung, die einen positiven Federgradienten vorbestimmten Wertes hat, ist der Schalteinrichtung zugeordnet, um eine Kraft auf die Schalteinrichtung mit einem ersten vorbestimmten Kraftwert F- auszuüben, wenn sich die Schalteinrichtung durch die Anfangskontaktwechselstellung bewegt, und einen wesentlich höheren.Kraftwert F₂, wenn die Schalteinrichtung in einer der Schaltarten ist. Der Wert des Ausdrucks (F- - F-)/ Fj sollte nicht wesentlich kleiner als eins sein und vorzugsweise nahe bei eins liegen. Eine Betätigungseinrichtung ist der elastischen Vorrichtung und der Schalteinrichtung zugeordnet zum Verstellen der Schalteinrichtung zwischen , deren Schaltarten und zum Einführen von wenigstens einem negativen Federgradienten vorbestimmten Wertes an der Schalteinrichtung, wenn diese in die Schaltarten eintritt und diese verläßt, und zwar mit ausreichender Größe, um die aus der elastischen Vorrichtung resultierende Kraft während dieses Teils des Schaltvorganges zu kompensieren. Die Schaltvorrichtung enthält außerdem eine Einrichtung zum Einstellen wenigstens eines der Federgradienten, wobei sich die Gesamtkraft, die auf die Schalteinrichtung einwirkt, in wenigstens einer der Schaltarten im wesentlichen null nähert. Mit dieser Anordnung wird auf einfache Weise eine Kraftverstärkung erzielt, ohne daß die Notwendigkeit einer entsprechenden Vergrößerung der Gesamtarbeit in der Vorrichtung besteht, um die Kraftgewinne·zu erzielen, was eines von weiteren vorteilhaften Merkmalen ist, die weiter unten ausführlicher erläutert sind.

Weiter wird ein verbessertes Verfahren zum Betätigen eines elektrischen Schalters geschaffen, der wenigstens einen Satz Kontaktelemente hat, die eine offene,eine geschlossene und zwischen diesen beiden eine Anfangskontakt-Wechsel- oder Schließ-/Öff-

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nungsstellung haben. In einer Ausgestaltung des Verfahrens beinhalten die Schritte, die Kontaktelemente mittels vorbestimmter positiver und negativer Federgradienten in die geöffnete und aus der geschlossenen Stellung zu bringen. Wenn die Kontaktelemente durch die Anfangskontaktwechselstellung hindurchgehen, wird eine Kraft auf die Kontaktelemente ausgeübt, die aus einem positiven Federgradienten resultiert, welcher eine wesentlich geringere Größe als die Kraft hat, die auf die Kontaktelemente aufgrund desselben Federgradienten einwirkt, wenn die Kontaktelemente in der geschlossenen Stellung sind. Während dieses Schrittes wird eine Gesamtkraft gleichzeitig auf die Kontaktelemente ausgeübt, die im wesentlichen in der Nähe des Wertes null liegt, so daß eine sehr geringe Gesamtkraft vorhanden ist, und zwar trotz der relativ großen Kraftwerte, die in den Betriebsschaltarten erzeugt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugsnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in Seitenansicht und teilweise im Querschnitt eine Ausführungsform einer zustandsempfindlichen elektrischen Schaltvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Endansicht des Schalterteils der Schaltvorrichtung, der den Schaltmechanismus enthält, wobei einige Teile der Übersichtlichkeit halber weggebrochen sind,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schema der in Fig. 1 gezeigten Schaltvorrichtung, das eine Standardmöglichkeit des Erzielens eines Kraft-Durchfedeaingsdiagramms für den Schaltmechanismus in der dargestellten Ausführungsform zeigt,

BAD ORlGfNA!

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines Teils der

Schalterbetätigungseinrichtung und von zwei Sätzen von Kontaktelementen des in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Schaltmechanismus, die einen Satz von Kontaktelementen in einer vollständig geschlossenen Stellung zeigt, während der andere Satz von Kontaktelementen in der vollständig geöffneten Stellung ist, wobei es sich um unterschiedliche Schaltarten des einen bzw. des anderen Satzes von Kontaktelementen handelt,

Fig. 4b eine schematische Darstellung ähnlich der in

Fig. 4a, die die Schaltkomponenten in einer geschlossenen bzw. in einer offenen Zwischenstellung bei ungefähr 1/3 der gesamten Wegstrecke für die Komponenten zeigt, wobei die Schaltarten dieselben wie in Fig. 4a sind,

Fig. 4c eine schematische Darstellung ähnlich der in

den Fig. 4a und 4b, die die Anfangskontaktwechselstellung für jeden der beiden Sätze von Kontaktelementen zeigt, wobei sich die

_s Schalterbetätigungseinrichtung ungefähr in

der Mittelstellung befindet und wobei die Kontaktelemente die Schaltarten einnehmen bzw. verlassen,

Fig. 4d eine schematische Darstellung ähnlich der in

den Fig. 4a-c, wobei die Schaltkomponenten in offener bzw. geschlossener Zwischenstellung sind, d.h. in Stellungen, die etwa 1/3 der gesamten Wegstrecke ausmachen und zu denen der Komponenten, die in Fig. 4b gezeigt sind, entgegengesetzt sind,

- Λ-

Fig. 4e eine schematische Darstellung ähnlich der in den Fig. 4a-d, in der die beiden Sätze von Kontaktelementen in der vollständig geöffneten bzw. vollständig geschlossenen Stellung sind, d.h. in Schaltarten, die zu den in Fig. 4a gezeigten entgegengesetzt sind,

Fig. 5 . typische Diagramme der Kraft über dem Kontaktelementweg für die Ausführungsform in Fig. 1, die die absolute Kraft positiven Gradientens, die an den Kontaktelementen erzeugt wird, sowie die Hauptkraft positiven Gradientens der Schaltvorrichtung zeigt, wobei unbedeutende überlagerte Kräfte, die aus Reibung, Kontaktzungen und Totgang resultieren, der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden sind,

Fig. 6 typische Diagramme der Kraft in Abhängigkeit

von dem Kontaktelementweg für die Ausführungsform in Fig. 1, die die absolute Kraft negativen Gradientens, welche an den Kontaktelementen erzeugt wird, sowie die Hauptkraft negativen Gradientens der Schaltvorrichtung zeigt, wobei wiederum unbedeutende überlagerte Kräfte weggelassen worden sind,

Fig. 7 die Kurven der resultierenden Gesamtkraft in Abhängigkeit von der Durchfederung für die miteinander kombinierten Diagramme in Fig. 5 und 6,

Fig. 8 ähnliche Diagramme der Kraft positiven Gradientens in Abhängigkeit van Kontaktelementweg wie in Fig. 5, mit der Ausnahme, daß diese Diagramme für eine Ausführungsform typisch sind, in der

BAD ORIGINAL

-ρ-

die absolute Kontaktelementkraft positiven Gradientens eine geringfügige aber im wesentlichen nicht nachteilige Diskontinuität in den Anfangskontaktwechselstellungen und einen kleinen Kontaktspalt zwischen diesen Stellungen aufweist,

Fig. 9 ähnliche Diagramme der Kraft negativen Gradientens in Abhängigkeit von Kontaktelementweg wie in Fig. 6, die aber die Ausführungsform repräsentieren, weiche die Kenndaten positiven Gradientens hat, die in Fig. 8 gezeigt sind, wobei die Kräfte negativen Gradientens so eingestellt worden sind, daß sie die geringfügigen Diskontinuitäten kompensieren,

Fig. 10 die resultierenden Kurven der Gesamtkraft über der Durchfederung für die kombinierten Diagramme in Fig. 8 und 9,

Fig. 11 ein X-Y-Diagramm, das mit einem Standardoszillographen auf herkömmliche Weise gemäß Fig. erzielt worden ist und typische Kräfte und Bewegungen des Schalterbetätigungsarms für die Schaltvorrichtung in Fig. 1 zeigt, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt,

die Fig. 12a-e schematische Darstellungen von zwei Sätzen

von Kontaktelementen in bekannten Schaltern, die die Erfindung nicht enthalten, in unterschiedlichen Schaltarten arbeiten und zum Zwecke des Vergleichs mit den Darstellungen in den Fig. 4a-e angegeben sind,

Fig. 13 ein typisches Diagramm der Hauptkontaktelementkraft positiven Gradientens über der Kontaktelementwegstrecke für die in den Fig. 12a-e

-fb'
angegebene bekannte Vorrichtung,

Fig. 14 ein Diagramm der Hauptkontaktelementkraft

negativen Gradientens über der Kontaktelementwegstrecke für die in den Fig. 12a-e und 13 gezeigte bekannte Vorrichtung,

Fig. 15 die Kurve der resultierenden Gesamtkraft über der Durchfederung, die sich aus der Kombination der Diagramme in den Fig. 13 und 14 ergibt,

Fig. 16 ein X-Y-Diagramm ähnlich dem in Fig. 11, mit der Ausnahme, daß es für Schaltkräfte in bekannten zustandsempfindlichen elektrischen Schaltvorrichtungen typisch ist, die die Erfindung nicht enthalten,

Fig. 17a eine schematische Darstellung einer modifizierten Form der Ausführungsform in Fig. 1, ' die eine weitere Form der Erfindung enthält, in der der Schaltmechanismus einen statt zwei Sätze von Kontaktelementen hat, wobei Fig. 17a die Komponenten in der vollständig geöffneten Stellung zeigt, bei der es sich um eine Schaltart handelt,

Fig. 17c eine Darstellung ähnlich der in Fig. 17a, wobei aber die Komponenten in der Anfangskontaktwechselstellung sind,

Fig. 17e eine Darstellung ähnlich der in den Fig. 17a und 17c, wobei aber die Komponenten in einer weiteren Schaltart, d.h. in der vollständig geschlossenen Stellung sind,

BAD ORIGfNUL.

Fig. 18 ein typisches Diagramm der Kraft positiven

Gradientens über dem Kontaktelementweg für die Ausführungsform mit dem einzelnen Kontaktelementsatz , wobei es sich um eine Darstellung handelt, die der in Fig. 5 für die erste Ausführungsform gezeigten entspricht,

Fig. 19 typische Diagramme der Kraft negativen Gradientens über dem Kontaktelementweg für die Ausführungsform mit dem einzelnen Kontaktelementsatz in den Fig. T7a, 17c, 17e und 18, und

Fig. 20 Kurven der resultierenden Gesamtkraft über

der Durchfederung, die sieh durch die Kombination der Diagramme in den Fig. 18 und 19 ergeben.

Die Fig. 1-7 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung in einem zustandsempfindlichen, beispielsweise „temperaturempfindlichen , elektrischen Schalter 20, der üblicherweise als Kaltsteuereinrichtung bezeichnet wird. Der als Beispiel dargestellte Schalter ist eine Verbesserung des allgemeinen Typs, der ausführlicher in den US-PSen 3 065 323 und 3 065 aus dem Jahre 1962, 3 096 419 aus dem Jahre 1963, 3 354 280 aus dem Jahre 1967 und 3 648 214 aus dem Jahre 1972 beschrieben ist, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Der beispielshalber dargestellte Schalter 20 hat ein Gehäuse 21, das insgesamt dem ausführlicher in der US-PS 3 648 dargestellten gleicht und zweckmäßig aus formgepreßtem, härt barem Phenolharz-Kunststoff besteht, und einen etwa U-förmigen Rahmen 22, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht, wobei das Gehäuse und der Rahmen fest miteinander ver bunden sind, beispielsweise durch Zapfen (nicht dargestellt)

Auf herkömmliche Weise trägt der Rahmen 22 eine Balgbaugruppe 23 und eine Deckelbaugruppe 24, die die Vorrichtungen (nicht dargestellt) zum Befestigen des Schalters 20 auf einer geeigneten Tragplatte hat.

Gemäß den Fig. 1 und 2 nimmt das Gehäuse 21 die beiden Kontaktelementsätze des Schaltmechanismus und ihre zugeordneten Klemmen in einer Kammer 26 auf. Die Klemmen 27, 28 und 29 sind jeweils an dem Gehäuse befestigt, so daß sie stabile äußere Anschlüsse für eine zugeordnete Verdrahtung und eine stabile Halterung für die verschiedenen Kontaktelemente des Schaltmechanismus bilden. Elastisch vorgespannte und bewegliche Kontaktelemente 31, 32 sind an einem ihrer Enden über L-förmige Teile 33, 34 mit der gemeinsamen Klemme 27 elektrisch und mechanisch so verbunden, daß die Elemente gegenseitigen Abstand haben und etwa parallel sind. Lamellierte Kontakte 35, 36, die jeweils eine konvex gekrümmte Kontaktfläche haben, die vorzugsweise aus Silber besteht, sind durch herkömmliches Schweißen od.dgl. so befestigt, daß sie gleichen Kontakten 37 bzw. 38 zugewandt sind, die an feststehenden Kontaktelementen 41, 42 befestigt sind, welche an einem Ende an den Klemmen 28 bzw. 29 befestigt sind. Eine Schraubenfeder 44, die einen vorbestimmten positiven Federgradienten hat, was im folgenden noch näher erläutert ist, ist zwischen den Kontaktelementen 31, 32 an einer Stelle zwischen den Kontakten 35, 36 und den freien Enden 47, 48 befestigt und bewirkt unter anderem einen Wischvorgang der Kontaktsätze, wenn die Kontaktelementpaare im Betrieb in ihre Schaltart eintreten bzw. diese verlassen. Bei den Kontaktelementpaaren arbeiten die Kontaktelemente 31, 41 als ein Satz zusammen und bilden eine Schalteinrichtung des Schaltmechanismus, während die zweite Schalteinrichtung durch den Kontaktelementsatz 32, 42 gebildet wird. Eine Schulter 49 (Fig. 2) des Gehäuses 21 liegt an dem Kontaktelement 42 an und bildet eine feste Position für dieses Kontaktelement. Andererseits

BAD

ist eine Schraube 51, äie an dem Kontaktelement 41 nahe von dessen freiem Ende in Anlage bringbar ist, durch das Gehäuse 21 geschraubt, so daß sie von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist, und bildet die gewünschte einstellbare Vorrichtung zum Festlegen der festen Position des Kontaktelements 41 in bezug auf die anderen Schalterkomponenten zwecks Festlegung eines vorgewählten Abstands.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist zum wahlweisen Verstellen der beiden Kontaktelementsätze 31, 41 und 32, 42 zwischen deren Schaltarten eine Schalterbetätigungseinrichtung 52 vorgesehen, die einen Bewegungsübertragungsarm 53 und einen von diesem nach unten vorstehenden Schalterbetätigungsarm 54 hat, der in der Nähe von einem Ende des Anns 53 mit diesem bei 56 fest vernietet ist, so daß sich die beiden Arme als eine Einheit bewegen. Das untere Ende (in der Darstellung in Fig. 1) hat einen gabelförmigen Abschnitt mit einem Vorsprung 57, der über dem freien Ende 47 des Kontaktelements 31 liegt, und mit einem zweiten Vorsprung 58, der über dem Ende 48 des Kontaktelements 32 liegt, so daß diese kontaktelernente durch eine Drehbewegung des Arms 53 wahlweise betätigt werden. Das rechte Ende 61 des Arms 53 ist ein Basisteil, der zur Befestigung der Betätigungseinrichtung dient und für diese einen Drehpunkt bildet. Das linke Ende 62 ragt durch eine öffnung 63 in der Gehäusewand und wird durch ein Ende eines Differentialschnappspannfedersystems erfaßt, dessen Feder 64 einen vorbestimmten negativen Federgradienten in dem System erzeugt. Das andere Ende der Feder 64 ist seinerseits durch ein verstellbares Anlenkteil 66 abgestützt, das in einem Kanal 67 längsverschiebbar innerhalb des Gehäuses 21 angeordnet ist. Eine Differentialstellschraube 68, die in einen anderen Teil des Gehäuses 21 eingeschraubt und von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist, bildet eine.linear bewegliche, verstellbare Abstützung für die linke Seite der Feder 64. Die Schraube liegt an der von der Feder 64 abgewandten Seite des Anlenkteils 66 an, so daß durch Verstellen

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der Position der Schraube die Spannung der Feder 64 und deren Kraft in bezug auf die Betätigungseinrichtung 52 leicht in vorbestimmten! Ausmaß eingestellt werden kann. Der Arm 53 kann darüber hinaus durch Eingriff mit Schultern und Schlitzen (nicht gezeigt) schwenkbeweglich gehaltert sein, wie es in der US-PS 3 648 214 beschrieben ist, weshalb sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Vorrichtung 20 ebenso wie die in der US-PS 3 648 214 gezeigte auf herkömmliche Weise mit einer schraubenförmigen Bereichsfeder 71 ^, versehen ist, die einen positiven Federgradienten hat und über eine Mutter 72 und eine Schraube 73 eine fortgesetzte Kraft auf den Arm 53 ausübt, wodurch sie bestrebt ist, diesen im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Diese Kraft kann überwunden werden, indem die Kraft vergrößert wird, die der Balg 76 der Baugruppe 23 auf den unteren Abschnitt 77 der Schraube ausübt und die bestrebt ist, die Schraube gegen die Kraft der Bereichsfeder 71 anzuheben. Die Wechselwirkung des Balgs 76 und der Feder 71 an dem Arm 53 ist bekannt, weshalb lediglich darauf hingewiesen sei, daß durch Verändern der Zusammendrückung der Bereichsfeder 71 der abgefühlte Temperaturwert, auf dem die Kaltsteuereinrichtung arbeitet, eingestellt werden kann. Diese Funktion erfüllt ein manuell einstellbarer Kurvenkörper 81, der an dem Deckel 24 auf geeignete Weise drehbar gehaltert ist. Der Kurvenkörper 81 berührt einen Kurvenabtaster 82, der an einer Stelle 83 an dem Rahmen 22 angelenkt ist. Das obere Ende der Bereichsfeder 71 liegt an der Unterseite des Kurvenabtasters82 an,so daß, wenn der Kurvenabtaster auf die Drehstellung des Kurvenkörpers anspricht, das Ausmaß der Zusammendrückung der Feder 71 zwischen dem Kurvenabtaster 82 und der Mutter 72 geändert wird.

In dem System erzeugt, allgemein ausgedrückt, die Feder 64 über die Hebelverbindung eine Vorspannkraft negativen Federgradientens an der Betätigungseinrichtung 52, die durch die

BAD ORIGINAL

Bereichsfeder 71 überwunden werden kann, so daß die Betätigungseinrichtung im Gegenuhrzeigersinn bewegt werden kann. Der Kraft der Bereichsfeder wirkt der Balg 76 entgegen und diese Kraft wird effektiv auf den Arm 5 3 nur dann ausgeübt, wenn die durch eine Sonde 78 abgefühlte Temperatur unter einem vorbestimmten Wert ist, so daß die Kraft des Balgs 76 unter einen vorbestimmten Wert verringert wird.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ausführungsform der Erfindung läßt sich ohne weiteres eine Kraftverstärkung erreichen, ohne daß eine entsprechende Vergrößerung der Gesamtarbeit zum Erzielen des Kraftgewinns erforderlich ist. Die Fig. 1-7 zeigen den Idealfall, in welchem der maximale Vorteil erzielt werden kann, wenn die Erfindung in dem zustandsempfindlichen elektrischen Schalter 20 des dargestellten Ausführungsbeispiels vorgesehen ist. Fig. 4a zeigt schematisch die Kontaktelemente 31, 41 in der vollständig geschlossenen Stellung, während die Kontaktelemente 32, 42 vollständig geöffnet sind. In dieser Stellung, die in den Fig. 5, 6 und 7 mit "a" bezeichnet ist, ist der positive Federgradient, der sich aufgrund der Feder 44 ergibt, eine Kraft F_DCc die eine beträchtliche Kraft F₂ von beispielsweise 0,49 N (50 g) oder mehr gespeichert hat, welche auf die einander berührenden Kontaktflächen der geschlossenen Kontaktelemente 31, 41 einwirkt. Diese Kraft kann vorgewählt werden, indem die genaue Lage der Feder 44 relativ zu den Kontakten und dem Drehpunkt 27 sowie deren positiver Federgradientenwert bestimmt werden, bevor sie an der gewünschten Stelle befestigt wird. Die positiven Hauptfedergradienten des Systems,, die aus der Feder 44, der Bereichsfeder 71 und dem Balg 76 resultieren, sind in Fig. 5 durch eine Kraft F . gezeigt. In Fig. 6 stellt die Kraft F . negativen Federgradientens die Gesamtkraft in dem System dar, die der einstell baren U-förmigen Feder 64 zuzuschreiben ist, wobei F die ^J nc

Kraft ist, die aus dieser Feder resultiert, welche auf die geschlossenen Kontaktelemente einwirkt und die Kraft F _c

im wesentlichen kompensiert.

Die entgegengesetzte Schaltart des Schaltmechanismus ist schematisch in Fig. 4e gezeigt, in der die Kontaktelemente 31, 41 in der vollständig geöffneten Stellung und die Kontaktelemente 32, 42 vollständig geschlossen sind. An dieser Stelle ist die Kraft F₂ ungefähr gleich der Kraft für die Position "a". In diesem Beispiel erfolgen das Einnehmen und Verlassen der beiden Schaltarten an einer zentralen Stelle "c", die sich etwa in der Mitte zwischen ⁿa" und "e" befindet, wo die Anfangs-Schließ-Zöffnungs- und öffnungs-/Schließstellungen (d.h. die Wechsel- oder ümschaltstellungen, in denen die Kontaktflächen zum erstenmal miteinander in Berührungs kommen oder voneinander getrennt werden) gleichzeitig auftreten. Diese Stellung ist in Fig. 4c schematisch dargestellt. In diesem Augenblick gehen beide Kräfte F und F durch die 0-O-Kraftlinie, und die Kraft F₁ ist ungefähr null, obgleich es keinen Kontaktspalt zwischen zusammenwirkenden Kontaktelementen in der mittleren Stellung ^Mc" gibt.

Es sei hier angemerkt, daß die maximale absolute Kraft F₂ positiven Gradientens an den geeigneten Kontaktelementen in jeder der Stellungen "a" und "e" auf einem Wert ist, der wesentlich größer oder höher als der Wert der maximalen absoluten Kraft F₁ positiven Gradientens in der Anfangswechselstellung "c" ist, welche in dem dargestellten Beispiel null und deshalb vernachlässigbar ist. Anders ausgedrückt, der Wert des Ausdrucks (F- - F₁)ZF₂ ist in dieser Ausführungsform eins,da die Kraft F₁ den Wert null hat. Darüber hinaus sind die Kraft-Wegstreckenkurven F ., F , F . und F (Fig. 5 und 6) in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils in dem gesamten Betriebsbereich (zum Beispiel zwischen den Stellungen "a" und "e") insgesamt linear und haben Kraftwerte, die durch die betreffenden Federn festgelegt werden, welche oben aufgeführt sind und diese Kräfte so erzeugen,

BAD ORiGINAL

O L O ü Z. ü U

daß die Gesaratkraft F_rc, die auf die sich berührenden Kontaktelemente einwirkt, sowie die Gesamtkraft F des Systems auf lineare Weise für den gesamten Betriebsbereich zwischen den Stellungen "a" und "e" jeweils in der Nähe von null liegen, wie es Fig. 7 klar zeigt. Die Gesamtarbeit, d.h. der Bereich zwischen den Kraftkurven F und F. einerseits und der 0-O-Linie andererseits, ist vernachlässigbar. Es liegt infolgedessen der Idealfall vor, in welchem bei der in den Fig. 1-7 dargestellten Ausführungsform der maximale Vorteil der Kraftverstärkung mit vernachlässigbarer Gesamtarbeit erzielt wird. Es ist anzunehmen, daß, je näher der Wert des Ausdrucks (F- - F^/F- bei eins liegt und je näher die Gesamtkraft F , die auf die Kontaktelemente einwirkt, sich dem Wert null (Kraftlinie 0-0) auf lineare Weise im größten Teil des Schaltvorganges nähert, um so beträchtlicher die Vorteile sein werden, die durch die Erfindung erzielt werden.

Zur Beschreibung der Art und Weise, auf die der Schalter arbeitet, wird angenommen, daß die beiden Kontaktelementsätze des Schaltmechanismus in den in den Fig. 1 und 4e gezeigten Stellungen sind, in denen die Elemente 32, 42 in der vollständig geschlossenen Stellung und die Elemente 31, 41 vollständig geöffnet sind. Es sei daran erinnert, daß die positiven und negativen Kräfte, die auf das bewegliche Schaltelement 32 einwirken, an der Stelle "e" in den Fig. 5 bzw. 6 angegeben sind. Die vertikale Strecke F2 ab der Kraftlinie 0-0 ist ein Maß für diese Kräfte. Es sei weiter angenommen, daß die Sonde 78 eine Abnahme der Temperaturabfühlt, die die Dampffüllung verringert, um eine gewünschte Kontraktion des Balgs 76 zu bewirken. Das wiederum bewirkt eine Verringerung der Kraft, die auf das untere Ende 77 der Schraube ausgeübt wird. Die schraubenförmige Bereichsfeder 71 übersteuert deshalb den Balg bis zu dem Punkt, wo bei einer vorbestimmten abgefühlten Temperatur die auf das Ende 62 des Arms 53 im Gegenuhrzeigersinn einwirkende Kraft überwunden und das Ende 62 des Arms 53 in einer Schnappbewegung,aus seiner Berührung

mit der oberen Wand der öffnung 63 befreit und abwärts in Berührung mit der unteren Wand der öffnung gebracht wird. Während dieses Vorganges werden der Arm 54 der Betätigungseinrichtung 52 und die Elemente 32, 42 veranlaßt, sich aus der in Fig. 4e gezeigten Stellung oder Schaltart in die in Fig. 4a gezeigten Stellungen oder Schaltarten zu bewegen, in denen die Kontaktelemente 32, 42 in der vollständig geöffneten Stellung und die Kontaktelemente 31, 41 vollständig geschlossen sind.

Es sei hier angemerkt, daß der Abstand der Schaltelemente und die Kraftkurven so gewählt sind, daß in der Anfangswechselstellung für beide Sätze von Elementen 31, 32 und 41, 42, die in Fig. 4c gezeigt ist, die Feder 44 ihre freie Länge hat und deshalb keine Kraft auf das Kontaktelement oder 32 ausübt. Mit anderen Worten und gemäß der ausführlicheren Betrachtung an Hand eines weiter unten angegebenen Vergleiches der Fig. 12b und 12d für eine bekannte Schaltvorrichtung gibt es in der dargestellten Ausführungsform keine Federanordnung, die eine große Vorbelastung in der Anfangswechselstellüng erzeugt, um einen großen Sprung oder eine sich schnell ändernde Diskontinuität in den Kräften zu erzeugen. Wenn sich das Kontaktelement aus der Stellung "c" in der einen oder anderen Richnung wegbewegt, nimmt der Gradient der Feder 44 allmählich zu (Fig. 7), wodurch die Kraft linear aufgebaut wird, bis sie ein Maximum F₂ in den Stellungen "a" und "e" erreicht. Darüber hinaus nähern sich die positive Kraft (Fig. 5) und die negative Kraft (Fig. 6) dem Wert null, wenn die Kontaktelementsätze sich gänzlich durch die Anfangswechselstellung in Fig. 4c bewegen (z.B. zumindest zwischen den Stellen "b" und "d"), wo die resultierende Gesamtkraft F ebenfalls ungefähr auf dem Wert null gehalten wird. Diese Kräfte zeigen zwar keine Diskontinuität in den Kurven in dieser Stellung, da beide Kontaktelementsätze die Anfangswechselstellung etwa gleichzeitig einnehmen und verlassen, die Elemente brauchen jedoch

BAD ORIGINAL

nicht genau gleichzeitig diese Stellung zu passieren, wodurch eine geringfügige Diskontinuität erzeugt wird, die die der Erfindung zuzuschreibenden Vorteile nicht stark vermindert. Das wird weiter unten in Verbindung mit den Fig. 8, und 10 ausführlicher erläutert. Es sei außerdem angemerkt, daß es in der dargestellten Ausführungsform einfacher ist, die Größe der negativen Federkräfte einzustellen, die durch die Feder 64 in dem System erzeugt werden, um sie denen positiven Federgradientens (z.B. der Feder 44)anzunähern, als das Umgekehrte zu machen (die Feder 44 einzustellen), so daß beide Kräfte F und F in den Absolutwerten ungefähr gleich sind und die Nullkraftlinie 0-0 vorzugsweise in der Nähe der Stellung "c" durchqueren, indem der Kontaktabstand und die Kontaktlage richtig eingestellt werden. Es sei daran erinnert, daß die Schraube 68 benutzt werden kann, um den negativen Gradienten einzustellen, wenn beispielsweise eine Vergrößerung der Kraft F_nc durch eine Verringerung des Abstand der Einbuchtung der U-förmigen Feder 64 erzielt wird. Die resultierende Gesamtkraft F kann so für den gesamten Betrieb

nc ^s

nahe bei oder in unmittelbarer Nähe der Nullkraftlinie 0-0 gehalten werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

Wenn die Bedingungen so sind, daß die Kraft an der Betätigungseinrichtung 52 diese und die Kontaktelemente 31, 32 veranlaßt, sich aus den in Fig. 4e dargestellten Schaltarten wieder in die in den Fig. 1 und 4a dargestellten Schaltarten zu bewegen, werden die Elemente durch die in den Fig. 4d, 4c und 4b dargestellten Stellungen hindurchgehen, und zwar mit dem insgesamt linearen positiven und negativen Kraftprofil, wie es die Fig. 5 und 6 zeigen. Während der Bewegung der Kontaktelemente zwischen der Anfangs-Schließ-/ Öffnungsstellung bei "c" und jeder der Kontaktstellungen voller Kraft, die mit den Buchstaben "a" und "e" bezeichnet sind, gibt es, wenn überhaupt, ein geringes gegenseitiges Rollen oder Rutschen der sich berührenden Kontaktflächen.

Es ist außerdem, falls ein Kontakt flächenverschleiß im Betrieb auftreten und einen Zwischenraum erzeugen sollte, der größer als der gewünschte Zwischenraum zwischen den zusammenwirkenden Kontaktelementen in der Stellung "c" ist, relativ einfach, die richtigen Einstellungen in der Schaltvorrichtung vorzunehmen, um die gewünschten Kraftkenndaten für den Schaltmechanismus zu erzielen.

Gemäß den Fig. 8, 9 und 10 tritt in der Schaltvorrichtung 20 ein Kontaktspalt zwischen C₁ und C₂ auf, der vorzugsweise im wesentlichen in der Wegstrecke nicht größer ist als 1/4 der Gesamtwegstrecke der Kontaktelemente zwischen "a" und "e", wo beide Sätze von Kontaktelementen außer Berührung sind. Eine geringfügige Diskontinuität für den positiven Federgradienten, die in den Kurven F_. und F durch eine Vorbelastung der Feder 44 an den Kontaktelementen erzeugt wird, tritt auch an den Stellen C. und C2 auf, bei denen es sich in diesem Fall um die Anfangskontaktschließ- und -Öffnungsstellungen handelt. Dieser Fall kann, neben anderen möglichen Gründen, durch Verwendungserfordernisse der Schaltvorrichtung 20 und durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen werden. An Hand der Kurve F ist jedoch zu erkennen, daß trotz der kleinen Diskontinuität die Kraft F₁ wesentlich kleiner ist als die Kraft F2 und daß der Wert des Ausdrucks (F₂ - F₁)/F- immer noch eins nahekommt. Beispielsweise wurde in der Praxis eine Anzahl von Schaltvorrichtungen 20 hergestellt, bei denen die Kraft F₁ 0,06 N (6 g) und die Kraft F₂ 0,50 N (51 g) betrug. Der Ausdruck hatte deshalb den Wert 0,88. Eine überprüfung der linearen Kurve F in Fig. 8 zeigt, daß, je näher sich die Kurve zu dem Mittelpunkt "c" erstreckt, um so kleiner die Diskontinuität wird (vgl. die gestrichelte Kurve zwischen C₁ und C₂)/ wobei die beiden Komponenten der Kurve F in der Tat wie eine einzige gerade

pe

Linie linear sind. Der negative Federgradient und die Kräfte F_nt und F_rc (Fig. 9), die durch Einstellen der Feder 64 hervorgerufen werden, werden so vorgewählt, daß sie die in Fig.

ORfGlNAL

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8 gezeigten Kräfte kompensieren. Aus Fig. 10 ist zu erkennen, daß für beide resultierenden Kurven F und F V und ihre entsprechende Beziehung zur Linie 0-0 die Gesamtarbeit über dem Bewegungsbereich zwischen "a" und "e" noch sehr klein ist, trotz der oben erwähnten Kraftverstärkungsvorteile.

Zum vollen Verständnis der Bedeutung der in den Fig. 8-10 beispielshalber dargestellten Ausführungsform ist in Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung der Schaltvorrichtung 20 angegeben, und die Art und Weise des Erzielens des X-y-Oszillographendiagramms in Fig. 11 wird nun betrachtet. Bei der Einstellung der Schaltvorrichtung 20 wird die Temperatur des Balgs 76 auf einer konstanten Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur gehalten, um die Elemente zu veranlassen:, sich zu der geschlossenen Stellung zu bewegen, wenn sich der Taststift 91 eines Standardkurvenschreibers in die in Fig. 3 mit gestrichelten Linien dargestellte Stellung bewegt und den Mechanismus zu dem Punkt 92 bringt, um die Kontakte 32, 42 zu öffnen. Durch Hin- und Herbewegen des Arms 53 zwischen zwei Anschlägen 93, 94 unter Verwendung des Tastfingers 91 ergibt sich auf dem Oszillographenschirm ständig das in Fig. 11. gezeigte X-Y-iCraft-DurchfederungsdiagraiTTO, das gestattet, die Schaltvorrichtung 20 richtig einzustellen. Die Linie 96 stellt eine typische Kraft-Bewegungskennlinie dar, die dem Fall entspricht, in welchem die Sonde 78 eine Temperatürdifferenz abfühlt und der Arm 53 zu dem Punkt 92 schnappt. Die vertikale Differenz F_f zwischen den Kurven D-I und J-O wird durch Kräfte verursacht, die etwa dem Zweifachen derjenigen sind, die durch Reibung, Totgang und dgl. erzeugt werden. Der Punkt D zeigt den Zustand, in welchem die auf den Arm ausgeübten Kräfte durch den Tastfinger 91 nahe dem oberen Kraftwert A ausgeglichen werden und dieselbe Linie 96 erzeugen, wenn der Arm durch den Tastfinger in Schritten E, F, G, H, I ausgelenkt wird, wobei die Teile E, F und G, H das An-

fangsöffnen und -schließen der Kontaktelemente angeben. Wenn steigende Temperaturen angenommen werden, so ist J ein weiterer Zustand, in welchem die Kräfte abgeglichen werden und die Schaltvorrichtung von dem Punkt 92 in die gezeigte Stellung schnappt. Der Arm 53 folgt der Kurve K, L, M, N, 0, wobei K, L und M, N das Anfangsöffnen und -schließen der Kontaktelemente angeben und wobei geringfügige Diskontinuitäten in den Mechanismus eingebaut sind, so daß diese Punkte auf dem Oszillographenschirm beobachtbar sind. Fig. 11 zeigt, daß bei einem bestimmten Differential ,wie beispielsweise

einer Kraft von 1,20 N (0.27 pounds), die Kräfte bei E, F und L, K ausreichend weit von den Kraftwertlinien A und B entfernt sind, so daß sie für Einstellungen nicht kritisch sind und keine Möglichkeit besteht, daß die Kontaktelemente anhalten, wenn sie durch die Anfangs-SchließVöffnungsstellungen hindurchgehen. Wenn es zum Anhalten kommt, könnten die Kontaktelemente in der Schließ-/Öffnungsstellung bleiben, in der sich die Kontakte wiederholt berühren und trennen oder prellen und dadurch schließlich eine Verschweißung verursachen könnten.

Weitere Merkmale der Erfindung werden durch eine Betrachtung der Fig. 12a bis 12e und der Fig. 13, 14 und 15 besser verständlich, die zu derselben bekannten Kaltsteuervorrichtung, Modell 3 ART 24, gehören und in denen gleiche Teile die gleichen Bezeichnungen wie die bereits erläuterten Teile tragen. Diese bekannte Kaltsteuerung ist schematisch auf S. 6 der General Electric Broschüre GEA-9954 (5M) 10/73 dargestellt, auf die verwiesen wird. Zum leichteren Vergleich sind die beweglichen Kontaktelemente, die mit feststehenden Kontaktelementen 141 und 142 zusammenwirken, mit den Bezugszahlen 131 · bzw. 132 bezeichnet. Die Schalterbetätigungseinrichtung ist mit 154 bezeichnet und ihre Feder positiven Gradientens ist mit 144 bezeichnet, die in einer Version an den beiden beweglichen Kontaktelementen direkt zwischen denselben befestigt war. Fig. 12a zeigt die Kontaktelemente 131, 141 in der voll-

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ständig geschlossenen Stellung, während die Kontaktelemente 132, 142 geöffnet sind. Fig. T2e zeigt die entgegengesetzten Stellungen, in denen die Kontaktelemente 131, 141 geöffnet und die Kontaktelemente 132, 142 geschlossen sind. Die Kräfte bei "a" in den Fig. 13, 14 und 15 sind diejenigen, die durch das Kontaktelement 131 an den Kontaktflächen in der vollständig geschlossenen Stellung auftreten; die Kräfte bei "e" in denselben Figuren entsprechen der Stellung des Kontaktelements 132, die in Fig. T2e gezeigt ist. Die Kräfte F , F_n und F_r in den Fig. 13, 14 und 15 sind alles Kräfte, die auf die Kontakflächen ausgeübt werden und denselben Typ von spiegelbildlichen Kräften ausschalten, die oben als in den Fig. 5-10 weggelassen angegeben sind. Fig. 12b zeigt die Anfangskontakt-Schließ-Zöffnungs- oder -Wechselstellung für die Kontaktelemente 131, 141, während eine gleiche Stellung mit Abstand davon für die Elemente 132, 142 in Fig. 12d gezeigt ist, zum Erzeugen eines Kontaktspalts b, d bei etwa 1/3 der Gesamtwegstrecke der Kontaktelemente. Die Kontakte der Elemente bestehen gänzlich aus Silber. In Fig. 12c sind die Schaltelemente in dem Mittelpunkt "c" ihrer Wegstrecke, und an dieser Stelle sind beide in Stellungen, in denen sie sich gegenseitig nicht berühren und auf keines der Schaltelementpaare Kräfte einwirken.

Bei der bekannten Schaltvorrichtung sind die Diskontinuitäten beträchtlich, und die maximale Federkraft F₁ positiven Gradientens (Fig. 13) unterscheidet sich nicht wesentlich von einer gleichen Kraft F~ in den Stellungen "a" und "e". Beispielsweise hatte eine typische bekannte Kaltsteuervorrichtung, Modell 3 ART 24, eine Kraft F₁ von 0,18 N (18 g) und eine Kraft F₂ von 0,26 N (.2.6 g) , Der Ausdruck (F_ - F.)/ Fo hat somit den Wert 0,31 und ist also wesentlich kleiner als eins. Darüber hinaus ist die durch die Feder 144 erzeugte Kraftkurve F tatsächlich keine einzelne lineare Kurve

(vgl. F in Fig. 8). Außerdem ist die Gesamtarbeit, die pe

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sich aus Fig. 15 ergibt, etwas größer als die, die sich aus Fig. 10 ergibt, obgleich die Kraft-Wegkennlinien bei der bekannten Vorrichtung nicht annähernd so erwünscht wie die in Fig. 8 sind. Die bekannte Vorrichtung mit diesen Kennlinien ergab daher, obgleich ihre Kontakte gänzlich aus Silber bestanden und dieselben Gesamtgrößen wie die lameliierten Kontakte in der beschriebenen Ausführungsform hatten, in tatsächlichen Tests im allgemeinen Kräfte F2 an den sich berührenden Kontaktflächen in dem Bereich von 0,24 N (24 g) bis etwa 0,43 N (44 g). Im Gegensatz dazu, erzeugte eine Vorrichtung gemäß den Fig. 1, 2 und 8-10 Kräfte F₂ von 0,49 N (50 g) bis 0,69 N (70 g) für die Kontaktbetätigung, und hatte trotzdem eine etwa sechsfache Zunahme der Lebensdauer unter Belastung gegenüber der bekannten Vorrichtung, selbst bei einer Verringerung des Silberverbrauches von 69% bei Kontakten derselben Größe.

Weitere Vorteile der Erfindung werden besser verständlich, wenn die Kraft-Durchfederungskennlinien der Ausführungsform, die in Fig. 11 dargestellt sind, mit einer ähnlichen X-Y-Diagrammkurve 101 in Fig. 16 verglichen werden,die für bekannte elektrische Schaltvorrichtungen ähnlicher Größe typisch ist, welche zwei Sätze von Schaltelementen haben und bei denen die Erfindung nicht benutzt wird. Die Kurve 101 repräsentiert dieselbe Art einer bekannten Kaltsteuerung, nämlich das General Electric Modell 3 ART 24, das oben bereits erwähnt wurde. In Fig. 16 werden dieselben Buchstaben zum Bezeichnen gleicher Teile benutzt,mit der Ausnahme, daß sie mit einem hochgesetzten Strich versehen sind. Es ist zu erkennen, daß, anders als bei der Kurve 96, die Kräfte bei E¹, F¹ in der Nähe des Kraftwertes A liegen und daß ähnliche Kräfte an der Stelle L¹, K¹ nahe dem Kraftwert B liegen. Die Kraft F'_f bezeichnet das Zweifache der Reibungskraft. Das Potential für einen Anhaltezustand, wie es durch die Kurve 101 dargestellt ist und das eine kürzere Kontaktlebensdauer bei der bekannten Schaltvorrichtung gemäß Fig. 16 bedeutet, ist größer

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als das für den, der durch die Kurve 96 in Fig. 11 dargestellt ist, und erfordert eine schwierigere und teuerere Justierung, um die Qualitätseigenschaften in der bekannten Vorrichtung aufrechtzuerhalten.

Die Fig. 17a, 17c, 17e, 18, 19 und 20 gehören zu einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der die Schaltvorrichtung einen einzigen Satz Schaltelemente 31', 41' und Klemmen 27¹, 28" enthält, die einen ähnlichen Aufbau wie die bereits in Verbindung mit der ersten Ausführungsform in den Fig. 1-7 beschriebenen Elemente 31, 41 und Klemmen 27, 28 haben. Der Betätigungsarm ist mit 54' bezeichnet, eine Feder positiven Gradientens mit 44' und ein Anschlag für das Kontaktelement 32' mit 49', wobei es sich um eine Schulter des Gehäuses 21 handeln kann. Die Stellung "a" zeigt, wie in der ersten Ausführungsform, die positive, die negative und die: resultierende Gesamtkraft F _c, F bzw. F in den Fig. 18, 19 und 20, wobei die Elemente in der vollständig geöffneten Stellung sind. Ebenso ist die Stellung "c" die Anfangskontakt-Schließ-/Öffnungsstellung, und "e" ist die vollständig geschlossene Stellung. Die Kraft F in Fig. 20 kommt der in Fig. 7 nahe, und der Wert des Ausdrucks (F~ - F.J/F- beträgt für diese Ausführungsform eins. Die zweite Ausführungsform hat dieselben vorteilhaften Betriebseigenschaften bezüglich des einzelnen Satzes von Kontaktelementen wie der Schaltmechanismus mit den zwei Sätzen von Kontaktelementen in der ersten Ausführungsform. Als praktische Maßnahme zum Gewährleisten eines zufriedenstellenden Betriebes selbst unter nachteiligen Bedingungen in dem Schaltmechanismus der zweiten Ausführungsform könnte die Federanordnung negativen Gradientens, beispielsweise eine ähnlich der Feder 64, so eingestellt werden, daß sie eine insgesamt lineare Kraftlinie F.. in Fig. 19 für den gesamten Betrieb zwischen den Stellungen "a" und "e" liefert. Gemäß Fig. 20 gibt es eine geringfügige Differenz zwischen den negativen und positiven

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linearen Gesamtkräften F .. für die offene und die geschlossene Stellung "a" bzw. "e", wobei aber die Größe der Gesamtarbeit, die zwischen den linearen gestrichelten Kurven F . und der Linie 0-0 dargestellt ist, sehr klein ist. Diese Art von Einstellung könnte selbstverständlich auch bei der Vorrichtung erfolgen, die zwei Sätze von Kontaktelementen enthält, falls das aus denselben Gründen erwünscht ist.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Erfindung eine verbesserte zustandsempfindliche elektrische Schaltvorrichtung, elektrische Schalter und ein Verfahren zum Betätigen derselben schafft, bei denen die Einheit leicht und kompakt und mit geringen Kosten hergestellt werden kann und trotzdem in der Lage ist, über lange Zeitspannen richtig zu arbeiten. Darüber hinaus i&t die Erfindung vielseitig und kann auf einfache Weise die Verstärkung von Kontaktkräften bewirken, um einen Gesamtkraftgewinn zu erzielen, ohne daß ein Kontaktprellen in den Schaltarten auftritt und ohne daß eine nennenswerte Umkonstruktion von vorhandenen Vorrichtungen erforderlich ist. Beispielsweise wurde eine Ausführungsform der Erfindung in ein General Electric Company Relais 3ARR4 eingebaut, wie es in der US-PS 2 866 025 beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß es ein einpoliges Relais mit Arbeitskontakten war und daß die Kontaktelementabstände und die Federgradienten geändert wurden. Die erhaltene Kurve der Gesamtelementkraft über der Durchfederung glich grundsätzlich der in Fig. 20,während der magnetische Zug tatsächlich auf die Hälfte gegenüber dem bei dem ursprünglichen Relais reduziert wurde. Die Kontaktkraft F₂ des Relais wurde von 0,29 N (30 g) bei dem ursprünglichen Relais auf 0,98 N (100 g) vergrößert.

Der Wert des Ausdrucks (F₂ - F₁)ZF₂ für das Relais, das eine Ausführungsform der Erfindung enthielt, war im wesentlichen eins, und die Kraft F₂ war wesentlich größer als die Kraft F-, die ungefähr gleich null war. Außerdem nahm die Dauer des störungsfreien Betriebes gemäß den Testergebnissen von

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70000 Betätigungen bei dem ursprünglichen Relais auf 420000 Betätigungen bei dem Relais derselben Größe zu, das gemäß der Erfindung modifiziert worden war. Gewisse gegenwärtig vorhandene elektrische Schalter können daher durch einfache und doch kritische Einstellungen von Komponentenabständen und gewissen Federgradienten auf herkömmliche Weise modifiziert werden, um eine Ausführungsform der Erfindung aufzunehmen und dadurch die damit verbundenen Vorteile zu erzielen, ohne daß viel für eine totale Umkonstruktion aufzuwenden ist. Außerdem können diese Schalter bestimmter Größe für Zwecke benutzt werden, bei denen eine große Anzahl

von störungsfreien Schaltspielen erforderlich ist, die bislang nicht erzielbar war.

Leerseite

Claims

Ansprüche:

Zustandsempfindliche elektrische Schaltvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung mit wenigstens einem Satz Kontaktelementen (31, 41; 32, 42) mit einer vorgewählten offenen Stellung, einer vorgewählten geschlossenen Stellung und einer vorgewählten Anfangskontakt-Schließ-/ Öffnungsstellung zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung; durch eine Einrichtung (52) zum Betätigen der Schalteinrichtung, um die Kontaktelemente wahlweise in die und aus der vorgewählten offenen, der geschlossenen und der Anfangs-Schließ-/ÖffnungsStellung zu bringen; durch eine Federvorrichtung (71) und eine temperaturempfindliche Vorrichtung (76, 78), die mit der Betätigungseinrichtung (52) verbunden sind, um diese in Bewegung zu versetzen, wobei die Federvorrichtung und die temperaturempfindliche Vorrichtung entgegengesetzte Kräfte an der Betätigungseinrichtung erzeugen; und durch sowohl positive als auch negative Hauptfedergradienten und eine Krafterzeugungsvorrichtung (44, 64), die maximale absolute Kräfte F- und F~ positiven Gradientens hat, wobei F-, die maximale absolute Vorbelastungskraft positiven

Gradientens an den Kontakte lementen in der vorgewählten Anfangs-Schließ-/öffnungsstellung ist, wobei F₂ die maximale absolute Kraft positiven Gradientens an den Kontaktelementen in der vorgewählten geschlossenen Stellung ist und wobei der Wert des Ausdrucks (F- - F-)/F- sich dem Wert eins nähert und eine Gesamtkontaktelementkraft F insgesamt in der Nähe von null erzeugt wird, wenn sich die Kontaktelertiente wenigstens durch die vorgewählte Anfangskontakt-SchlieB-Voffnungsstellung bewegen.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (68) zum Einstellen wenigstens der größeren absoluten negativen Federgradienten in der Schaltvorrichtung (20).
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch i gekennzeichnet, daß die vorgewählte Anfangskontakt-Schließ-^/öffnungsstellung des wenigstens einen Satzes von Kontaktelementen (31, 41; 32, 42) ungefähr in der Mitte der Gesamtstrecke zwischen der vorgewählten offenen und der vorgewählten geschlossenen Stellung dieses Satzes von Kontaktelementen angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Hauptfedergradienten insgesamt gleich sind, aber entgegengesetzte Größen haben, wenn der wenigstens eine Satz von Kontaktelementen (31, 41; 32, 42) zwischen der vorgewählten offenen und der vorgewählten geschlossenen Stellung betätigt wird.
5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der positive und der negative Gradient gemeinsam eine Gesamtkontaktelementkraft F erzeugen, die im wesentlichen null ist, wenn der wenigstens eine Satz von Kontaktelementen (31, 41; 32, 42) sich zwischen der vorgewählten offenen und der vorgewählten geschlossenen Stellung durch die vorgewählte Anfangs-Schließ-/Öffnungsstellung bewegt.

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6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein erstes und ein zweites bewegliches Kontaktelement (31, 32) enthält, die wahlweise mit einem ersten und einem zweiten feststehenden Kontaktelement (41, 42) in Berührung bringbar sind und mit diesen zwei Sätze von Schaltelementen (31, 41; 32, 42.) bilden, wobei jeder Satz von Schaltelementen eine vorgewählte offene, eine vorgewählte geschlossene und eine vorgewählte Schließ-/Öffnungsstellung hat? daß die Krafterzeugungsvorrichtung (44), die einen absoluten positiven Gradienten hat, in der Schalteinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten beweglichen Kontaktelement (31, 32) angeordnet und mit diesen verbunden ist, um eine absolute positive Kraft F an den Kontaktelementen zu erzeugen; daß die positiven und negativen Hauptfedergradienten der zustandsempfindlichen elektrischen Schaltvorrichtung (20) gemeinsam im wesentlichen gleiche Gesamtkräfte für beide Sätze von Schaltelementen (31, 41; 32, 42) erzeugen, wenn jeder Satz sich zwischen seiner vorgewählten offenen und seiner vorgewählten geschlossenen Stellung bewegt, und daß die Kraft F tatsächlich eine insgesamt lineare einzelne Kraftlinie zwischen der vorgewählten offenen und der vorgewählten geschlossenen Stellung ist.
7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählten Schließ-Zöffnungsstellungen der beiden Sätze von Schaltelementen (31, 41; 32, 42) relativ zu einander so angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein Kontaktspalt vorhanden ist, der nicht größer ist als etwa 1/4 der Gesamtbewegungsstrecke der beweglichen Kontaktelemente.
8. Schaltvorrichtung nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Hauptfedergradienten während des größeren Teils der Bewegung des wenigstens einen Satzes von Kontakteleraenten zwischen den vorgewählten Stellungen insgesamt linear sind. ·

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9. Elektrischer Schalter, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung mit wenigstens einem Satz Kontaktelementen (31, 41; 32, 42), die insgesamt zwischen einer vorgewählten offenen Stellung und einer vorgewählten geschlossenen Stellung durch eine vorgewählte Anfangskontakt-Schließ-/ Öffnungsstellung, welche sich zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung befindet, bewegbar sind; durch eine Einrichtung (52) zum Betätigen der Schalteinrichtung, um die Kontaktelemente wahlweise in die und aus der vorgewählten offenen, geschlossenen und Anfangs-Schließ-/öffnungsstellung zu bringen; durch eine Vorrichtung (64, 71, 76, 78) zum Bewegen der Betätigungseinrichtung (52) , mit vorbestimmten positiven und negativen Federgradienten, die einzelne absolute Kräfte F und F an dem wenigstens einen Satz von Kontaktelementen erzeugen, wobei die Kraft F eine maximale

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absolute Vorbelastungskraft F₁ positiven Gradientens an den Kontaktelementen in der vorgewählten Anfangs-Schließ-/Öffnungsstellung hat und eine maximale absolute Kraft F- positiven Gradientens an den Kontaktelementen in der vorgewählten geschlossenen Position hat, wobei der Wert des Ausdrucks (F_ F₁)ZF₂ nicht wesentlich kleiner als eins ist, und wobei die Kräfte F und F weiter gemeinsam eine Gesamtkontaktelementkraft erzeugen, die insgesamt bei null liegt, wenn sich die Kontaktelemente wenigestens durch die vorgewählte Anfangs-Kontakt-Schließ-/Öffnungsstellung bewegen.
10. Schalternach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine der Betätigungseinrichtung (52) zugeordnete Vorrichtung (68) zum Einstellen wenigstens des Wertes der Kraft F .
11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Anfangskontakt-Schließ-/Öffnungsstellung des wenigstens einen Satzes von Kontaktelementen (31, 41; 32, 42) ungefähr in der Mitte der Gesamtstrecke zwischen der vorgewählten offenen und der vorgewählten geschlossenen Stellung dieses Satzes von Kontaktelementen angeordnet ist.

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12. Schalter nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten negativen und positiven Federgradienten insgesamt gleich sind, aber entgegengesetzte Größen haben, wenn sich der wenigstens eine Satz von Kontaktelementen (31, 41; 32, 42) zwischen der vorgewählten offenen und der vorgewählten geschlossenen Stellung bewegt.
13. Schalter, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung, die wahlweise insgesamt zwischen zwei Schaltarten betätigbar ist; durch eine elastische Vorrichtung (44) , die einen positiven Federgradienten vorbestimmten Wertes hat und der Schalteinrichtung zugeordnet ist, um eine Kraft auf die Schalteinrichtung mit einem ersten vorbestimmten Kraftwert auszuüben, wenn die Schalteinrichtung in die beiden Schaltarten eintritt und diese verläßt, und einen zweiten vorbestimmten Kraftwert, der wesentlich höher als der erste vorbestimmte Kraftwert ist, wenn die Schalteinrichtung in wenigstens einer der Schaltarten ist; durch eine Betätigungseinrichtung (52), die der elastischen Vorrichtung und der Schalteinrichtung zugeordnet ist, um die Schalteinrichtung zwischen ihren Schaltarten zu betätigen und um wenigstens einen negativen Federgradienten vorbestimmten Wertes an der Schalteinrichtung wenigstens insgesamt dann hervorzurufen,

> wenn die Schalteinrichtung in ihre Schaltarten eintritt oder diese verläßt, und zwar mit ausreichender Größe, so daß sie sich der Kraft der elastischen Vorrichtung insgesamt annähert und diese kompensiert, wenn die Schalteinrichtung in eine ihrer Schaltarten eintritt oder diese verläßt.
14. Schalter nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (68) zum Einstellen wenigstens eines der Federgradienten, so daß eine auf die Schalteinrichtung einwirkende Gesamtkraft in wenigstens einer von deren Schaltarten sich im wesentlichen null nähert.
15. Schalter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein Paar bewegliche Kontaktelemente (31 , 32) enthält und daß die elastische Vorrichtung (44) zwischen diesen befestigt ist, um einen positiven Federgradienten an beiden beweglichen Kontaktelementen und einen Wischvorgang zu erzeugen, wenn die Schalteinrichtung in eine der Schaltarten eintritt.
16. Verfahren zum Betätigen eines elektrischen Schalters in mehreren Schaltarten, der wenigstens einen Satz Kontaktelemente hat, die eine offene, eine geschlossene und eine Anfangsschließ-/öffnungsstellung haben, wobei die Anfangssc!hließ-/öffnungsstellung zwischen den anderen beiden Stellungen angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Bewegen der Kontaktelemente in die und aus der offenen und der geschlossenen Stellung mittels einer Vorrichtung, die scjwohl einen positiven als auch einen negativen Federjgradienten aufweist; und

Bewegen der Kontaktelemente durch die Anfangs-Schließ-/ Öffnungsstellung mittels der Vorrichtung, wobei eine Kraft an den Kontaktelementen erzeugt wird, die aus dem positiven Federgradienten resultiert und wesentlich größer ist, wenn die Kontaktelemente in der geschlossenen Stellung sind, als die Kraft, die aus demselben positiven Federgradienten resultiert, wenn die Kontaktelemente in die Schaltarten eintreten und diese verlassen, während gleichzeitig eine Gesamtkraft an den Kontaktelementen erzeugt wird, die sich im wesentlichen null nähert,wenn die Kontaktelemente in die Anfangs-Schließ-/Öffnungsstellung eintreten und diese verlassen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegen der Kontaktelemente in die und aus der offenen und der geschlossenen Stellung erzielt wird, indem an den Kontaktelementen eine Gesamtkraft erzeugt wird, die im wesentlichen in der Nähe von null liegt.

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18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Hindurchbewegen der Kontaktelemente durch die Anfangs-Schließ-/Öffnungsstellung an einer Stelle erfolgt, die ungefähr in der Mitte zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung liegt.
19. Verfahren zum Betätigen einer elektrischen Schaltvorrichtung, die eine Schalteinrichtung enthält, welche zwischen zwei Schaltarten betätigbar ist, und eine elastische Vorrichtung zum Ausüben einer Kraft, die sowohl positive als auch negative Gradienten hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Betätigen der Schalteinrichtung zwischen ihren Schaltarten und Ausüben der positiven und der negativen Gradienten der Kraft der elastischen Vorrichtung derart, daß eine Kraft an der Schalteinrichtung durch, die positiven Gradienten erzeugt wird, die in den Schaltarten wesentlich größer ist als die Kräfte an der Schalteinrichtung, wenn die Schalteinrichtung in die Schaltart eintritt und diese verläßt, wobei die Gesamtauswirkung der positiven und negativen Federgradienten darin besteht, daß eine Gesamtkraft auf die Schalteinrichtung ausgeübt wird, die insgesamt nahe bei null ist, wenn die Schalteinrichtung zumindest in ihre Schaltarten eintritt und diese verläßt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Schalteinrichtung ein Paar Schalter enthält, von denen jeder zwischen zwei Schaltarten betätigbar ist, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte;

Wahlweises Betätigen jedes Schalters zwischen seinen zwei Schaltarten und Ausüben einer Gesamtkraft, die insgesamt in der Nähe von null liegt, wenn jeder Schalter in seine Schaltart eintritt und diese verläßt.

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21. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Vergrößerns eines der positiven und negativen Federgradienten wenigstens insgesamt dann, wenn die Schalteinrichtung in ihre Schaltarten eintritt und diese verläßt.

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