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Die vorliegende Erfindung betriffi ein Relais, insbesondere für die Verwendung in
Kraftfahrzeugen, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 (US-A-2.517.052) definiert.
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Relais der oben definierten Art sind bekannt.
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Solche Relais des Standes der Technik haben den Nachteil, daß während der Schließphase
die durch die bewegliche Einrichtung akkumulierte Energie während des Überganges von
der nicht angezogenen Lage in die Arbeitslage nur teilweise durch die Reaktion des
mechanischen Systems gedämpft wird, welches den magnetischen Anziehungskräften
entgegenwirkt, und zwar durch das im System selbst vorhandene elastische Verhalten; die
Folge von dieser unvollständigen Dämpfung ist vor allem das Auftreten von Prellen, welches
eine frühe Abnützung der Wechselkontakte verursacht, und zwar durch die wiederholten
Schließ-/Öffnungsvorgänge mit häufig umgeschaltenem Strom, jedoch mit geringem
Kontaktdruck.
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Aus US 2.517.052 ist ein Relais mit einer Einrichtung zum Umsetzen eines Teiles der
kinetischen Energie, welche im Augenblick des Schließens der Kontakte in den beweglichen
Teilen vorhanden ist, in Reibung, um das Prellen auf ein Minimum zu reduzieren.
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Diese bekannte Einrichtung ist jedoch sperrig und komplex und erhöht in beträchtlichem
Maße das Gewicht der beweglichen Einrichtung mit den daraus entstehenden Nachteilen;
durch die Vergrößerung der Masse gehen die Vorteile des Systems, welches ein Dämpfen
des Prellens bewirkt, verloren.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Eliminieren der Nachteile des bekannten
Standes der Technik und insbesondere die Schaffung eines Relais, welches das Prellen
eliminiert, eine geringere Abnützung der Kontakte als in herkömmlichen Relais auweist und
somit eine längere Lebensdauer hat, ungeachtet der Tatsache, daß es Dimensionen und
Kosten hat, welche im wesentlichen gleich sind wie jene von herkömmlichen Relais.
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Diese Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Relais mit den in
Anspruch 1 definierten Merkmalen erreicht.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der detaillierten folgenden
Beschreibung hervor, in der Bezug genommen wird auf die beiliegenden Zeichnungen, die
ein rein nichteinschränkendes Beispiel darstellen, in denen:
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- die Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines Relais bekannter Art darstellt;
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- die Fig. 2 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Relais darstellt;
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- die Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Relais darstellt;
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- die Fig. 2B eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Relais
darstelllt;
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- die Fig. 2C eine schematische Draufsicht der Bestandteile der beweglichen Einrichtung
eines erfindungsgemäßen Relais darstellt, in einem besonders vorteilhaften
Ausführungsbeispiel;
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- die Fig. 3 schematisch in Form eines Diagramms die elastischen Eigenschaften der
beweglichen Einrichtung eines Relais bekannter Art darstellt, in einem Kartesischen
System, bei dem auf der Abszisse der Weg in Mikron aufgetragen ist und bei dem auf der
Ordinate der Wert der Kraft in Zentinewton aufgetragen ist, die beim entsprechenden Weg
festgestellt wurden;
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- die Fig. 4 mit einem Diagramm ähnlich jenem der Fig. 3 die elastischen Eigenschaften
darstellt, die für ein erfindungsgemäß ausgeföhrtes Relais typisch sind;
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- die Fig. 5 schematisch die Darstellung auf dem Oszilloskop des Prellens zeigt, welches
während des Schließens eines Relais bekannter Art auftritt;
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- die Fig. 6 schematisch die Darstellung auf dem Oszilloskop des Prellens zeigt, welches
während des Schließens eines erfindungsgemäßen Relais auftritt;
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- die Fig. 7 und 7A schematisch den Abschnitt des Kontaktes darstellt, der durch die
tangentiale Kraftkomponente erfaßt wird (Unterschied zwischen dem ersten elektrischen
Kontaktpunkt und dem Kontaktpunkt bei vollständiger magnetischer Schließung) in einem
Relais bekannter Art;
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- die Fig. 8 und 8A schematisch den Abschnitt des Kontaktes darstellt, der durch die
tangentiale Kraftkomponente erfaßt wird (Unterschied zwischen dem ersten elektrischen
Kontaktpunkt und dem Kontaktpunkt bei vollständiger magnetischer Schließung) in einem
erfindungsgemäßen Relais.
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Normalerweise werden Relais der hier beschriebenen Art in Kraftfahrzeugen verwendet; alle
diese Relais weisen im wesentlichen eine Konstruktion umfassend einen ferromagnetischen
Kern, eine Erregerspule und mindestens einen beweglichen Anker auf.
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In Fig. 1 ist ein herkömmliches Relais der in Kraftfahrzeugen verwendeten Art schematisch
dargestellt.
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Das Bezugszeichen 1 zeigt eine Erregerspule, die um einen mit dem Bezugszeichen 2
versehenen stabilen Kern gewunden ist; das Bezugszeichen 3 zeigt die bewegliche
Einrichtung, welche umfaßt:
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- einen beweglichen ferromagnetischen Anker, der mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist;
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- eine Blattfeder, die mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist, und an den beweglichen Anker
4 in einem mit 6 bezeichneten Punkt genietet ist;
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- einen elektrischen Wechselkontakt, der mit dem Bezugszeichen 7 versehen ist.
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Das Bezugszeichen 8 zeigt eine Rückstellfeder, die den Anker 4 in der Position mit größtem
Luftspalt in bezug auf den Kern 2 hält, wenn sich die Vorrichtung in nicht erregtem Zustand
befindet; das Bezugszeichen 9 zeigt ein Kabel für die elektrische Verbindung mit einem
"faston"-Verbinder des Relais (nicht dargestellt), während das Bezugszeichen 10 einen
Auflagepunkt für den beweglichen Anker 4 zeigt, wenn sich das Relais in Arbeitsstellung
befindet. Das Bezugszeichen 11 zeigt schließlich einen elektrischen Schließkontakt, welcher
aktiviert wird, wenn der bewegliche Anker 4 vom Kern 2 angezogen wird.
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In den Einrichtungen der dargestellten Art findet eine Wechselwirkung zwischen einer Kraft,
die durch die Erregung eines magnetischen Kreises mit variablem Widerstand erzeugt wird,
und der entsprechenden Reaktion des mechanischen Systems statt; bezüglich weiterer
Details der Arbeitsweise solcher Einrichtungen siehe z.B. die italienische Patentanmeldung
Nr. TO92A000434, eingereicht im Namen des gleichen Anmelders.
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Fig. 3 zeigt die typische elastische Eigenschaft der beweglichen Einrichtung (3) eines Relais
der schematisch in Fig. 1 dargestellten Art in einem Kartesischen Koordinatensystem, bei
dem auf der Abszisse der Weg in Mikron aufgetragen ist und bei dem auf der Ordinate der
Wert der Kraft in Zentrinewton aufgetragen ist, die beim entsprechenden Weg festgestellt
wurde; der im Diagramm der Fig. 3 hervorgehobene Abschnitt stellt das vorgesehene
Arbeitsfeld dar.
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In anderen Worten zeigt das Diagramm der Fig. 3 den mechanischen Gradienten "Kraft -
Weg" im "Weg nach außen" (nämlich von der ersten Berührung der Wechselkontakte bis
zum Zustand der vorgesehenen maximalen Verformung) und in "Rückkehr" (nämlich von der
Lage der vorgesehenen maximalen Verformung zur Lage der ersten Berührung der
Wechselkontakte) relativ zur beweglichen Einrichtung eines Relais bekannter Art. Wie
ersichtlich, bewegt sich das mechanische System vom Augenblick des ersten elektrischen
Kontaktes bis zur vorgesehenen maximalen Verformung in der Arbeitslage ("Weg nach
außen") von einer Kraft Null zur maximalen am Kontakt 10 vorgesehenen Kraft; bei der
Zurückbewegung, nämlich vom Punkt der maximalen Kraft zum Punkt der Kraft Null
("Rückkehr") kann das beinahe perfekte Übereinanderliegen dieser Meßkurve mit der
vorhergehenden festgestellt werden: Da die genannte Komponente ein elastisches Element
ist, bestehen keine Unterschiede im Verhalten, egal ob man eine Kraft im System anlegt
oder wegnimmt: In anderen Worten erfolgt somit im Relais des Standes der Technik keine
Dämpfung der kinetischen Energie während der Übergangsphasen beim Schließen.
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Dieses Merkmal ist der Hauptgrund für das Prellen, welches in der Übergangsphase beim
Schließen der Kontakte in Relais bekannter Art auftritt.
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In den Fig. 2, 2A und 2B ist ein erfindungsgemäßes Relais schematisch dargestellt; jene
Teile, die gleich sind wie im Relais der Fig. 1, sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen, wobei der Buchstabe A hinzugefügt ist.
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Erfindungsgemäß ist die bewegliche Einrichtung 3A mit einer geeignet geformten
beweglichen Zunge 15 versehen, welche ihren Drehpunkt in einem passenden Sitz 16 im
beweglichen Anker 4A hat; insbesondere die bewegliche Zunge 15 weist einen gebogenen
Abschnitt 17, eingesetzt in den Sitz 16, auf, der mit ihrem Hauptabschnitt einen Winkel
einschließt, der an seinem entgegengesetzten Ende einen Wechselkontakt 7A aufweist; der
Sitz 16 kann vorteilhaft durch eine Kerbe im beweglichen Anker 4A ausgebildet sein; 18
bezeichnet ein Relief des Ankers 4A, und 19 bezeichnet ein Element zur Befestigung der
Blattfeder 5A auf dem Relief 18; die Blattfeder 5A hat geeignete Führungen 20, zwischen
denen zwei schmale Schultern 21 zur Begrenzung der Bewegungen eingesetzt sind, wobei
die genannten Schultern auf der beweglichen Zunge 15 ausgebildet sind.
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Wie aus den Fig. 2, 2A und 2B ersichtlich, ist die bewegliche Zunge somit in ihren
Bewegungsmöglichkeiten durch die Blattfeder 5A beschränkt, welche durch die im
Kontaktpunkt erzeugte Reaktion und durch die in geeignete Führungen 20 eingesetzten
Schultern 21 den Freiheitsgrad der beweglichen Zunge 15 selbst einschränkt und auf diese
genau im Knickpunkt, wo sich die beiden Abschnitte treffen, die Kräfte überträgt, die nötig
sind, um ein Schließen des Wechselkontaktes 7A zu gewährleisten, und zwar in dem
Zustand, der im Projekt vorher definiert werden sollte.
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Die Fig. 2C zeigt in Draufsicht die Bestandteile der beweglichen Einrichtung eines
erfindungsgemäßen Relais in einem Ausführungsbeispiel, welches eine Alternative zu dem
in den Fig. 2A und 2B Gezeigten darstellt, wobei drei Reliefs 18 vorgesehen sind; wie aus
den Figuren ersichtlich, ist der geneigte Abschnitt 17 der beweglichen Zunge 15 in den Sitz
16 des Ankers 4A eingesetzt, die Blattfeder 5A ist in den Reliefs 18 eingesetzt, sodaß die
Schultern 21 somit in den Führungen 20 festgehalten werden, und schließlich ist das
Element 19 an den Reliefs 18 befestigt, um den Anker 4A mit der Blattfeder 5A einstückig
auszubilden, wobei die Zunge 15 dazwischen angeordnet ist. Die Blattfeder 5A ist daher
permanent gebogen, um die bewegliche Zunge 15 in einer eingespannten Stellung zu
halten. Das Vorhandensein eines elastischen Deformationszustandes der Blattfeder 5A der
beweglichen Einrichtung, ausgeführt gemäß den Darstellungen in den Fig. 2A, 2B oder 2C,
erlaubt die Schaffung einer elastischen Eigenschaft, die schematisch als "segmentiert"
definiert werden kann, wie näher in der vorher erwähnten italienischen Patentanmeldung
beschrieben, mit allen bereits in diesem Dokument angeführten Vorteilen.
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Die Hauptneuerung des erfindungsgemäßen Relais entsteht jedoch durch das
Vorhandensein einer mechanischen "Hysterese" der Gruppe der beweglichen Einrichtung
durch das spezielle erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel; diese Hysterese ist in der Lage,
die während des Übergangs zum Schließen akkumulierte kinetische Energie zu dämpfen
(nämlich in jenem Zeitabschnitt, der für das Relais nötig ist, um von der nicht angezogenen
Lage in die Arbeitslage zu gelangen) und das Prellen zu beseitigen, welches im System zum
Dämpfen der kinetischen Energie, welche durch das mechanische Modell nicht gedämpft
wird, entsteht.
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Die Fig. 4 zeigt die elastische Eigenschaft, die für die bewegliche Einrichtung eines
erfindungsgemäßen Relais typisch ist, in einem Kartesischen Koordinatensystem, bei dem
auf der Abszisse der Weg in Mikron aufgetragen ist und bei dem auf der Ordinate der Wert
der Kraft in Zentinewton aufgetragen ist, die beim entsprechenden Weg festgestellt wurden;
das Diagramm der Fig. 4 zeigt somit den mechanischen Gradienten "Kraft - Weg" im "Weg
nach außen" (nämlich von der ersten Berührung der Wechselkontakte zum Zustand der
vorgesehenen maximalen Verformung) und in "Rückkehr" (nämlich von der Lage der
vorgesehenen maximalen Verformung zur Lage der ersten Berührung der Wechselkontakte)
relativ zur beweglichen Einrichtung eines erfindungsgemäßen Relais.
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Wie ersichtlich, bewegt sich das mechanische System vom Augenblick des ersten
elektrischen Kontaktes bis zur vorgesehenen maximalen Verformung in der Arbeitslage
("Weg nach außen") von einer Kraft Null zur maximalen am Kontakt 11A vorgesehenen
Kraft; bei der Zurückbewegung, nämlich vom Punkt der maximalen Kraft zum Punkt der Kraft
Null ("Rückkehr"), kann jedoch festgestellt werden, daß im Gegensatz zu dem in der Fig. 3
Dargestellten (ungeachtet der Tatsache, daß der Wert der Kraft gleich ist jener der Fig. 3),
zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung einen Belastungsverlust oder einen Verlust an
gespeicherter Kraft von ungefähr 10 % bezogen auf den während der Schließphase
gemessenen Wert (dieser Wert ist ein Parameter des Projektes, welcher abhängig von den
im speziellen Fall vorgesehenen funktionellen Notwendigkeiten redifiniert werden kann):
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Dadurch, daß die genannte Komponente ein elastisches Element ist, jedoch Teile hat, die
sich hin- und herbewegen, tritt ein Kraftverlust auf, der berechnet werden kann und durch
die Reibung im System hervorgerufen wird: Dieser Kraftabschnitt, wenn in geeigneter Weise
dimensioniert, ermöglicht das vollständige Dämpfen des Prellens an den Kontakten während
der Schließphasen, wodurch eine Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten selbst
bewirkt wird.
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In anderen Worten erzeugt das Gleiten der beweglichen Zunge 15 im Drehpunkt am Anker
4A und der durch die elastische Blattfeder 5A auf die bewegliche Zunge im Knickpunkt
derselben ausgeübte Druck eine Reibung, die in der Lage ist, einen Teil der für die
Bewegung notwendigen Kraft zu dämpfen.
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Aus dem oben Beschriebenen geht hervor, daß die bewegliche Einrichtung des
erfindungsgemäßen Relais einen Kraftabschnitt autweist, der durch die Reibungen zwischen
den Teilen, die sich gegenseitig bewegen und fähig sind, die gespeicherte Energie zu
dämpfen, erzeugt wird, um das Prellen an den Kontakten zu eliminieren und somit die
Lebensdauer der Komponenten zu verlängern; die Vergleiche der Diagramme der Fig. 5
(bekanntes Relais) mit dem Diagramm der Fig. 6 (erfindungsgemäßes Relais) belegen das
oben Gesagte.
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Insbesondere der mit dem Pfeil in Fig. 5 bezeichnete Bereich hebt den Augenblick des
Anlegens der Spannung an die Kontakte eines Relais der in der Fig. 1 dargestellten Type
hervor: Wie ersichtlich, zeigt der Pfeil mindestens vier Schließvorgänge, nämlich das
genannte Prellen; im Gegensatz dazu zeigt die Fig. 6, daß im erfindungsgemäßen Relais nur
ein Schließen ohne jegliches Prellen stattfindet.
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Ein weiteres wichtiges zu betonendes Merkmal des erfindungsgemäß ausgeführten Relais
besteht darin, daß bei gleichem Weg des Kontaktes 7A im Augenblick des Schließens eine
Verschiebung des Kontaktpunktes festgestellt wurde, welche größer ist als jene, die in
Relais des Standes der Technik festgestellt wurde.
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Durch Vergleich der Fig. 7-7A (Stand der Technik) und 8-8A (vorliegende Erfindung) bei
gleichen anderen Bedingungen (siehe Bezugszeichen X und Y) erlaubt die Verwendung der
beweglichen Zunge 15 eine Vergrößerung des Kontaktabschnittes, der durch die zu den
Kontaktflächen tagentiale Kraftkomponente erfaßt wird: Im speziellen dargestellten Fall wird
eine Vergrößerung von ungefähr 40% des durch eine tangentiale Kraftkomponente erfaßten
Bereiches erreicht (siehe Bezugszeichen Z): Somit entsteht ein "Selbstreinigungs"-System
für die Flächen des gleichen Kontaktes 7A, 11A durch das Gleiten der Fläche des Kontaktes
7A über die Fläche des Kontaktes 11A, was das Entfernen von "Mikro-Peaks" und das
Nivellieren von "Mikro-Kratern" ermöglicht, die sich bei Betrieb auf den Kontaktoberflächen
bilden und möglicherweise ein Blockieren der Kontakte verursachen.
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Es ist weiters zu beachten, daß im erfindungsgemäß ausgeführten Relais die Verwendung
des Zustandes der elastischen Deformation der Blattfeder 5A die Schaffung der gleichen
Vorteile wie in der oben zitierten italienischen Patentanmeldung beschrieben ermöglicht, und
insbesondere ein Schließen des Kontaktes mit ausreichender Kraft zum Umschalten von
Strömen mit starkem Ausgangspunkt, wie jene beim Schließen bei sehr niedrigen
anfänglichen Widerstandslasten.
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Weiters ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung bei einem Relais mit normal
geschlossenen Kontakten Verwendung finden kann; bei dieser Verwendung wird in der nicht
angezogenen Stellung ein elastisches Merkmal der beweglichen Einrichtung erreicht,
welches äquivalent zu jenem auf dem arbeitenden Kontakt ist, mit allen Vorteilen anwendbar
auf die Arbeitsbedingung, die beim lösbaren Kontakt vorgesehen sein kann, wobei nur eine
Reduktion der Effekte auftritt, die dadurch entstehen, daß ein Relais der normal
geschlossenen Art von Natur aus einen Kontaktdruck (somit ein Modell von Arbeitskräften)
hat, der auf dem lösbaren Kontakt geringer ist.
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der oben gegebenen
Beschreibung klar; das erfindungsgemäße Relais zeigt eine Abnützung der Kontakte, die
geringer ist als bei herkömmlichen Relais, und somit eine längere Lebensdauer: Dies wird
ermöglicht durch die Reduktion des Prellens und durch das oben beschriebene
Selbstreinigungssystem.
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Verschiedene Änderungen können selbstverständlich am erfindungsgemäßen Relais
vorgenommen werden, zum Beispiel durch Umkehr der Funktionen zwischen den
verschiedenen beteiligten Elementen oder durch Ersetzen der in den Figuren gezeigten
Konstruktionselementen durch einfache technische Äquivalente; zum Beispiel könnten die
Form und die Anordnung des Verbindungskabels 9A von jenen als Beispiel dargestellten
abweichen und in einer solchen Form gewählt werden, die zum Dämpfungseffekt und zur
Vermeidung von Resonanz bei Betrieb des Relais beiträgt.