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Kupplung zwischen zwei in toleranzbehaftetem Abstand
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zueinander montierten Funktionselementen Die Erfindung betrifft eine
Kupplung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Sollen zwei Funktionselemente, z.B. ein Schalter und ein Bedienungsknopf
miteinander verbunden werden, so benötigt man eine Kupplung. Im einfachsten Fall
kann eine solche Kupplung durch eine starre Verbindungsachse realisiert werden.
Ist eine unmittelbare Montage des Schalters an der Frontplatte des jeweiligen Gerätes
nicht möglich, so werden zwischen seinem Montageort und dem Montageort des Bedienknopfes
auf der Frontplatte Abstandstoleranzen auftreten, die mit einer starren Verbindungsachse
nicht oder nur unbefriedigend ausgeglichen werden können.
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Bei Elektroherden, bei denen der Schalter oft in beträchtlicher Entfernung
vom Bedienknopf angeordnet Werden muß, ist es bekannt mit Gabelkupplungen, Kardan-
gelenken
und biegsamen Wellen zu arbeiten (DE-PS 10 74 123, DE-PS 11 56 869, DE-PS 10 87
220).
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Diese Mittel sind teilweise mechanisch recht aufwendig, oder in ihrer
Funktion in soweit nicht befriedigend, als das in Drehrichtung des Bedienknopfes
auftretende Spiel zumindest für Pr&zisionsgeräte unzulässig groß ist. Es kommt
hinzu, daß ein voller Toleranzausgleich über alle drei Achsen eines Raumkoordinatenkreuzes
mit den bekannten Kupplungen nicht oder allenfalls unter Anwendung von Schraubmitteln
möglich ist.
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In der elektrischen MeRtechnik, wo auch von den mechanischen Elementen
höchste Präzision verlangt wird, versucht man die Montagetoleranzen so klein zu
halten, daß mit starren Kupplungen gearbeitet werden kann. Bei Meßgeräten ist es
daher nach wie vor üblich, den Bedienknopf über ein Schaltschwert mit dem Schalter
zu verbinden. Insbesondere aber bei komplizierten Meßgeräten mit vielen Bedienfunktionen
verursacht diese Technik erhebliche Kosten. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß
nicht nur sehr viele unterschiedliche Schalterarten, sondern auch Taster und Potentiometer
einer Kupplung bedürfen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kupplung zu schaffen, die zwei
in einem toleranzbehafteten Abstand zueinander montierte Funktionselemente miteinander
verbindet, hierbei in Richtung aller Achsen eines Raumkoordinatenkreuzes einen Toleranzausgleich
ermöglicht, einfach aufgebaut ist und sich leicht montieren läßt. Diese Aufgabe
wird dadurch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Bei der Kupplung, die aus zwei sich gegenüberliegenden an den beiden
Funktionselementen ausgebildeten Aufnahmen und einem zwischen diesen wirkenden Kraftleiter
besteht, wird ein Toleranzausgleich in Richtung von zwei Achsen eines Raumkoordinatenkreuzes
zunächst dadurch geschaffen, daß eie der beiden Aufnahmen als erste Nut gestaltet
ist, in der ein erstes Endstück des Kraftleiters gleitend angeordnet ist. Die erste
Nut, die den Kraftlei.ter zweiseitig so erfaßt, daß in dieser Richtung kein Spiel
verbleibt, ist andererseits breiter als der Kraftleiter und so tief, daß diesem
ein Auf- und Absowie auch seitliches Gleiten ermöglicht ist. Die Ausbildung des
zweiten Endstücks des Kraftleiters hängt von der Art der Aufnahme ab, die am zweiten
Funktionselement vorgesehen ist und damit letztlich von der Aufgabe, die dieses
Funktionselement wahrzunehmen hat.
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Kann auch die zweite Aufnahme als Nut ausgebildet werden, so ist diese
um 900 gegenüber der ersten Nut zu versetzten und auch der Kraftleiter muR als Flachstabkreuz
mit zwei im-rechten Winkel zueinander angeordneten Endstücken ausgebildet sein.
Da auch die zweite Nut breiter als das zweite Endstück gestaltet ist, werden somit
auch in Richtung der dritten Achse eines Raumkoordinatenkreuzes Lagetoleranzen ausgeglichen.
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Auf eine kreuzweise Anordnung der Nuten und Kraftleiterendstücke kann
verzichtet werden, wenn mindestens am ersten Endstück beidseitig des Kraftleiters,
zwischen diesem und den Führungswänden der ersten Nut, Nocken ausgebildet sind,
die als Gleitgelenk wirken und eine Kippbewegung des Kraft leiters in Richtung der
dritten Achse eines Raumkoordinatenkreuzes zulassen. Die durch die Nocken am ersten
Endstück des Kraftleiters ermöglichte Kippbewegung muß das zweite Endstück selbstver-
ständlich
mitmachen können. Das hierzu am zweiten Endstück erforderliche Gelenk kann wiederum
in gleicher Weise durch Nocken oder aber durch übliche Gelenkglieder gebildet werden.
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Aus Gründen der Kunststoffspritztechnik ist es einfacher die Nocken
auf zwei sich gegenüberliegenden Aussenseiten des Kraftleiters anzubringen. Die
prinzipielle Wirkungsweise der Kupplung läßt jedoch auch eine Ausbildung von Nocken
auf der Innenseite der Führungswände der jeweiligen Nut zu.
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Sind beide Funktionselemente mit Nuten versehen, so ist es zweckmäßig
den Kraftleiter als Flachstab oder als Flachstabkreuz auszubilden. Besitzt eines
der Funktionselemente, zum Beispiel ein Potentiometer eine Welle, an die angekuppelt
werden muß, so kann eines der beiden Endstücke des Kraftleiters als Aufsteckteil
ausgeführt werden, das auf die Welle aufsteckbar ist.
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Die an den Außenkanten eines oder beider Endstücke des Flachstabes
oder Flachstabkreuzes angebrachten Nocken können beidseitig der Außenkante eine
durchgehende wu: artige Verdickung bilden. Besser ist es jedoch die e Verdickung
in der Mitte zu unterbrechen, so daß sich vier Nocken bilden, von denen je zwei
sich gegenüberliegende an den sie einschließenden Innenwänden der Nut vier punktförmige
Auflagen bilden. Hierdurch wird die bei der Kippbewegung entstehende Reibung herabgesetzt.
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Die beiden Je zwei Nocken bildenden wulstartigen Verdikkungen sind
im Querschnitt gesehen zum Ende hin oval oder fast spitz geformt. Im Zusammenwirken
dieser
speziellen Form der Verdickung mit flexiblen Führungswänden
der Nut wird erreicht, daß ein einseitig freier Kraftleiter sich in der Nut immer
senkrecht aufstellt.
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Bei der Montage muß der Kraftleiter also nicht erst in die gewünschte
Stellung gebracht werden und erlaubt durch seine Formgebung gleichzeitig ein leichtes
Einführen in die Nut.
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Ist das zweite Endstück des Kraftleiters als Aufsteckteil ausgeführt,
so muß es mit dem ersten Endstück durch ein Gelenk verbunden werden. Es ist zweckmäßig
hier ein Bandscharnier zu verwenden, das in Kunststoffspritztechnik besonders einfach
herzustellen ist. Das Bandscharnier wird vorzugsweise dreiarmig ausgeführt, um sicherzustellen,
daß die Kippbewegung nur in einer Richtung erfolgen kann und auch kein Torsionsspiel
bei Drehbewegungen der Funktionselemente entstehen kann.
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Die Montage der Kupplungselemente kann dadurch erleichtert werden,
daß dort wo eine Nut zur Aufnahme des Kraftleiters dient, diese Nut als Kreuznut
ausgebildet ist und die dem Kraftleiter beim Einstecken zugewandte Stecköffnung
der Nut trichterartig aufgeweitet ist. Im übrigen muß aber der Abstand zwischen
den Führungswänden der Nut gleich bleiben.
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Es ist zunächst einmal daran gedacht, durch die Kupplung einen Bedienknopf
mit elektrischen Schaltern oder Stellelementen, z.B. Potentiometern zu verbinden.
Die Kupplung kann aber auch zwischen den Schaltebenen eines Schalters wirken, wenn
diese Schaltebenen, z.B. auf mehrere parallel zueinander liegende Leiterpiatten
verteilt sind.
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Für die Montage von Vorteil kann es sein, wenn das zweite Endstück
des Kraftleiters als Ein- oder Aufsteckteil ausgeführt ist. Der Kraftleiter kann
dadurch einseitig mit einem Funktionselement fest verbunden werden und gelangt beim
Einsetzen dieses Funktionselementes automatisch in die Nut des anderen Funktionselementes.
Die feste Verbindung des Kraftleiters kann durch ein Bandscharnier oder durch eine
teilweise geschlossene Nut, die ein Herausgleiten verhindert, erreicht werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes sind
anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1: Die Kupplung zur Verbindung eines Bedienknopfes
mit einem Drehschalter.
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Figur 2: Die Kupplung als Verbindung eines Bedienknopfes mit einem
Potentiometer.
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Figur 3: Einen als Flachstab ausgebildeten Kraftleiter.
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Figur 4: Einen als Flachstabkreuz ausgebildeten Kraftleiter.
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Figur 5: Einen Kraftleiter mit Flachstab und Aufsteckteil.
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Figur 6: Eine als Kreuznut ausgebildete Aufnahme in Draufsicht.
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Figur 7: Die Kreuznut in Seitenansicht im Schnitt dargestellt.
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Figur 8: Die Ausbildung eines Tasters mit der erfindungsgemäßen Kupplung.
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Figur 9: Darstellung des Toleranzausgleichs durch Kippbewegungen des
Kraftleiters bei versetzter Nut in zwei Koordinatenrichtungen.
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Figur 10: Darstellung des Toleranzausgleichs in der dritten Koordinatenrichtung.
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Figur 11: Wirkungsprinzip eines Kraftleiters mit Gelenk (Bandscharnier)
und einseitiger Befestigung am Bedienknopf.
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Figur 12: Wirkungsprinzip eines Kraftleiters mit Gelenk (Bandscharnier)
und einseitiger Befestigung am Stellelement.
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Wie Figur 1 erkennen läßt, besteht die zwischen einem Bedienknopf
8 und einem Drehschalter 9a wirkende Kupplung aus einer Nut 4 im Bedienknopf 8,
einer Nut 5 im Drehschalter 9a und einem zwischen den Nuten 4,5 wirkenden Kraftleiter
1. Letzterer ist als Flachstabkreuz ausgeführt, das in Figur 4 noch einmal perspektivisch
dargestellt ist. Hierbei sind die beiden Endstücke 1a,1b um 900 zueinander versetzt.
Die Außenkanten der beiden Endstücke 1a,1b tragen jeweils wulstartige Verdickungen
6a,6b,10a,10b, die in ihrer Mitte unterbrochen sind und beidseitig der Endstücke
Nocken bilden.
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Die an den Innenwänden 4a,4b,5a,5b der Nuten 4,5 punktartig anliegenden
Nocken 6a,6b,10a,10b sind durch ihre
geringe Auflagefläche und
damit entsprechend geringe Reibung gegenüber durchgehenden wulstartigen Verdickungen
vorzuziehen. Aus diesem Grund, aber auch um einen noch größeren Toleranzausgleich
zu ermöglichen, wird zweckmEXigerweise auch ein als Flachstabkreuz ausgebildeter
Kraftleiter mit Nocken versehen, obwohl bei diesem vom Prinzip her weder Nocken
noch wulstartige Verdikkungen erforderlich wären. Denn im Gegensatz zu dem in Figur
3 dargestellten als geraden Flachstab ausgebildeten Kraftleiter 2 muß ein Flachstabkreuz
zum Toleranzausgleich keine Kippbewegungen ausführen können wie sie die Nocken ermöglichen.
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Die Nuten 4,5 sind so gestaltet, daß ihre flexiblen Innenwände 4a,4b,5a,5b
gegen die Nocken 6a,6b,1Oa,1Ob drücken, so daß zwischen ihnen kein Spiel verbleibt.
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Drehbewegungen des Bedienknopfes 8 werden somit spielfrei auf den
Schalter 9a Ubertragen. Im übrigen aber sind die beiden Nuten 4,5 so breit und so
tief, daß eine Verschiebung des Kraftleiters 1 möglich ist, die einen Toleranzausgleich
in Richtung aller drei Achsen eines Raumkoordinatenkreuzes ermöglicht. Abstandstoleranzen
einer Frontplatte 1 zu einer Leiterplatte 12, die sich zwangsläufig auch auf die
von Ihnen getragenen Funktionselemente, also hier auf den Bedienknopf 8 und den
Drehschalter 9a auswirken, haben keine nachteiligen Einflüsse.
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Nicht alle Schalt- oder Stellelemente sind so aufgebaut, daß es möglich
ist als Aufnahme für den Kraftleiter eine Nut auszubilden. Zumindest wäre es unwirtschaftlich,
bei Zulieferteilen wie z.B. einem Drehpotentiometer, die Stellachse nachträglich
mit einer Nut zu versehen. In diesem Fall wird, wie in Figur 2 und Figur 5 dargestellt
ist,
das zweite Endstück eines Kraftleiters 3 als Aufsteckteil 3b ausgeführt. Das Aufsteckteil
3b kann kappenartig auf die Stellachse 15 eines Potentiometers 9b aufgesteckt werden.
Abstandstoleranzen zwischen der Frontplatte 11, auf der ein Bedienknopf 8 mittels
Rasthaken 13 befestigt ist und einer das Potentiometer 9b tragenden Leiterplatte
12 werden durch das erste Endstück 3a des Kraftleiters 3 ausgeglichen. Dieses mit
Nocken 6a,6b versehene Endstück 3a gleitet wie bereits beschrieben in einer Nut
4, deren flexible Innenwände 4a,4b gegen die Nocken 6a,6b drücken. Damit Kippbewegungen
des ersten Endstücks 3a gegenüber dem Aufsteckteil 3b möglich sind, ist zwischen
beiden ein Bandscharnier 7 angeordnet. Die drei Arme 7a,7b,7c des Bandscharniers
sind nur in einer, nämlich der Kipprichtung flexibel, insbesondere aber in Drehrichtung
so stabil, daß hier kein unerwünschtes Spiel auftritt.
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Die Montage der Kupplungselemente ist dadurch erleichtert, daß, wie
in Figur 6 und 7 dargestellt, die Nut an ihrer dem Kraftleiter zugewandten Öffnung
trichterartig erweitert ist. Die im Querschnitt gesehen oval oder fast spitz zulaufenden
wulstartigen Verdickungen bzw. Nocken des Kraftleiters erlauben somit ein leichtes
Einführen in die Nut. Durch die besondere Formgebung der Nocken und die Elastizität
der gegen die Nocken drückenden Innenwände der Nut wird außerdem erreicht, daß sich
der Kraftleiter ohne Einwirkung von außen in eine Geradstellung bewegt.
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Figur 8 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Kupplung bei einem
Druckschalter. Da hier keine Drehsondern eine Auf- und Abbewegung des Bedienknopfes
auf den Schalter Ubertragen werden muß, sind die Verhält-
nisse
etwas anders. Ein Spiel der Funktionselemente beim Auf- und Abhub läßt sich nicht
ganz vermeiden, ist in diesem Fall aber bei ausreichendem Hub auch ohne nennenswerte
Bedeutung. Aus Figur 8 ist noch ersichtlich, daß es auch möglich ist, zumindest
eine Nut so auszubilden, daß sie den Kraftleiter an den Nocken zangenartig erfaßt,
so daß der Kraftleiter nach seinem Einstecken in die Nut nur bei erhöhter Kraftaufwendung
wieder aus dieser entfernt werden kann. Bei der Montage auch von Drehschaltern kann
das von Vorteil sein, weil somit der Kraftleiter zumindest mit einem der Funktionselemente
fest verbunden und somit unverlierbar ist.
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Anhand der schematischen Darstellungen in Figur 9 bis 12 wird noch
einmal die prinzipielle Wirkungsweise der Kupplung verdeutlicht. Figur 9 zeigt das
Endstück 1a,2a,3a eines Kraftleiters, wie er bereits aus den Figuren 1 bis 8 bekannt
ist. Dieser Kraftleiter gleitet in einer Nut 4. Durch Gleit- und Kippbewegungen
des Endstücks 1a,2a,3a ist ein Toleranzausgleich in Richtung aller drei Achsen X,Y,Z
eines Raumkoordinatenkreuzes möglich. Figur 9 zeigt den Toleranzausgleich in Richtung
der X- und Z-Achse, Figur 10 zeigt ihn in Richtung der Y-Achse.
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Es sei angenommen, daß eine Nut 4, die z.B. in einem Bedienknopf ausgebildet
ist, ihre Lage gegenüber einem Fixpunkt F, der gleichzeitig auch Drehpunkt des Endstücks
1a,2a,3a ist, ausgehend von ihrer Normallage verändert. Die Normallage sei dadurch
bestimmt, daß die Punkte A,B,C zusammenfallen und gemeinsam das äußerste Ende der
Nut 4 bilden. Die Nut kann sich nun in Richtung der X-Achse um + X1/2 zum Punkt
A1 oder A2 verschieben.
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Die maximal zulässige Verschiebung X1 wird durch den
Kippwinkel
Alpha des Endstücks 1a,2a,3a bestimmt. In Richtung der Z-Achse ist eine Verschiebung
der Nut 4 um + Z1/2 vom Punkt B zum Punkt B1 oder B2 möglich. Die zulässige Verschiebung
Z1 ist durch die Tiefe der Nut festgelegt. Schließlich kann, wie Figur 10 zeigt,
auch in Richtung der Y-Achse eine Verschiebung der Nut um Y1/2 zu dem Punkt Cl oder
C2 erfolgen. Hier bestimmt die Breite der Nut die maximal zulässige Verschiebung
Y1. Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß sich die einzelnen Verschiebungen
auf der X-, auf der Y- und auf der Z-Achse vektoriell addieren und somit Lagetoleranzen
Jeder Art in einem zulässigen Bereich ausgleichbar sind.
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Obwohl hierdurch bezüglich der Fertigungstoleranzen ein großer Spielraum
entsteht, wird in Drehrichtung R eine nahezu spielfreie Kraftübertragung gewährleistet.
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Das erste Endstück 1a,2a,3a des Kraftleiters 1,2,3 kann Kippbewegungen
nur dann ausführen, wenn das zweite Endstück lb,2b,3b diese Kippbewegungen mitmacht
oder mit einem Gelenk 7 versehen ist. Die Figuren 11 und 12 zeigen Kraftleiter 3
mit einem Gelenk 7, das z.B. als Bandscharnier ausgeführt sein kann. Das Gelenk
7 entspricht dem Fixpunkt F aus Figur 9. Während in Figur 11 das zweite Endstück
3b des Kraftleiters 3 mit dem Stellglied 9 fest verbunden ist, ist in Figur 12 das
zweite Endstück 3b mit dem Bedienknopf 8 fest verbunden.
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Im übrigen ist die Wirkungsweise bei beiden Kupplungen gleich.
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Bezugszeichenliste zu-E 3664 1,2,3 Kraftleiter 1 Kraftleiter als
Flachstabkreuz 1a erstes Endstück am Flachstabkreuz ib zweites Endstück am Flachstabkreuz
2 Kraftleiter als Flachstab 2a erstes Endstück am Flachstab 2b zweites Endstück
am Flachstab 3 Kraftleiter als Aufsteckteil 3a erstes Endstück am Aufsteckteil 3b
zweites Endstück am Aufsteckteil 4 erste Nut (im Bedienknopf) 4a,b Führungswände
der ersten Nut 4 4c Öffnung der Nut 4 5 zweite Nut (im Schalt- oder Stellelement)
5a,b Führungswände der Nut 5 6 wulstartige Verdickung am ersten Endstück 6a,b Nocken
am ersten Endstück 7 Bandscharnier 7c mittlerer Arm des Bandscharniers 7a,b seitliche
Arme des Bandscharniers 8 Bedienknopf 9 Schalt- oder Stellelement 9a Schalter 9b
Potentiometer 10 wulstartige Verdickung am zweiten Endstück 10a,b Nocken am zweiten
Endstück 11 Frontplatte 12 Leiterplatte 13 Rasthaken
14 Ringnut
15 Drehwelle