CH708894A1 - Sprungschalter mit konstanter Kontaktkraft. - Google Patents

Abstract

Ein Sprungschalter besteht aus zwei Teilen. Der eine Teil ist ein mechanischer Kippmechanismus und besteht in bekannter Weise aus einem elektrisch leitenden, mit dem Anschluss (10) verbundenen, beweglichen Teil (1), den mechanischen Anschlägen (3) und (4), der Druckfeder (2), der über das Gelenk (6) auf den Teil (1) wirkenden Feder (5) und dem Stössel (7). Der zweite Teil besteht aus einer mit dem Teil (1) verbundenen, elektrisch leitenden Blattfeder (20) und dem damit verbundenen Mittelkontakt (17). Die Federkonstanten aller federnden Teile sind so gewählt, dass es nur zwei Ruhelagen gibt: Entweder liegen der Mittelkontakt (17) am «normally closed»-Kontakt (11) und der Teil (1) am Anschlag (3) an, oder der Mittelkontakt (17) liegt am «normally open»-Kontakt (12) und der Teil (1) an Anschlag (4) an. Die Anschläge (3, 4) und die Kontakte (11, 12) sind so angeordnet, dass in einer Ruhelage jeweils der Mittelkontakt (17) wegen der Blattfeder (20) an einem der Kontakte (11, 12) gepresst wird.

Description

Beschreibung

[0001 ] Die Erfindung betrifft elektrische Sprung- oder Schnappschalter (engl, snap-action switch), bei denen der bewegliche Mittelkontakt in Abhängigkeit von der Betätigungskraft zwischen zwei stabilen Lagen hin- und herspringt.

[0002] Sprungschalter, meist in der Form von Miniatur- oder Mikroschaltern, werden in grossen Mengen in der Automation, für Werkzeugmaschinen, in Automobilen etc. eingesetzt. In vielen Fällen werden sie verwendet, um die Positionen mechanischer Elemente, zum Beispiel die Endlagen von Stellgliedern, elektrisch zu melden. Für die gebräuchlichen Sprungschalter ist in diesen Fällen die elektrische Belastung der Kontakte kein Problem, weil mit kleinen Strömen und Spannungen gearbeitet wird. Problematisch wird es, wenn grössere Ströme und Spannungen geschaltet werden müssen, denn bei herkömmlichen Sprungschaltern nimmt die Kontaktkraft gegen den Umschaltpunkt hin kontinuierlich ab und erreicht im Kipppunkt den Wert null. Im Grundlagenbuch «Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen» (Herausgeber E. Vinaricky. ISBN 3-540-42431 -8. 2. Auflage. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York) ist dieser Sachverhalt folgendermassen beschrieben: «Bild (...) gibt den prinzipiellen Zusammenhang zwischen Kontaktkraft bzw. Betätigungskraft und Betätigungsweg für einen Mikro-schalter wieder. Die Kontaktkraft ist jeweils in den Endpositionen am höchsten. Bei der Betätigung des Schalters nimmt sie bis auf Null ab und geht dann sprunghaft auf einen Minimalwert in der Gegenlage über. »

[0003] Als Folge dieser Eigenschaft brennen die Kontakte - auch abhängig von der Betriebsfrequenz, der Schaltgeschwindigkeit, vom thermischen Ableitwiderstand, von der Zusammensetzung des Kontaktmaterials etc. - mehr oder weniger schnell ab, vor allem, wenn der Schalter häufig in der Nähe seiner Kipppunkte betrieben wird. Die Lebensdauer des Schalters wird dann drastisch verkürzt. Zwar gibt es Mikroschalter - zum Beispiel die Serie ASQ des Herstellers Panasonic -, bei denen die Kontaktkraft wegen der Verwendung von Schleifkontakten unabhängig vom Betätigungsweg ist. Allerdings sind diese Schalter keine Sprungschalter.

[0004] Nachfolgend wird ein Sprungschalter beschrieben, bei welchem die Kontaktkraft bis zum Zeitpunkt des Umschaltens konstant bleibt.

Ein konventioneller Sprungschalter hat im Allgemeinen einen beweglichen, aber in sich starren Teil mit einem Mittelkontakt, der über eine Kippmechanik entweder gegen einen «normally closed»-Kontakt (resp. gegen einen entsprechenden Anschlag) oder gegen einen «normally open» Kontakt (resp. gegen einen entsprechenden Anschlag) gedrückt wird.

[0005] Der erfindungsgemässe Sprungschalter besteht zum einen aus einem rein mechanischen Sprungschalter mit einem beweglichen Teil, welcher in jeder seiner beiden Ruhelagen mittels eines Kippmechanismus unmittelbar oder mittelbar gegen einen Anschlag gedrückt wird. Der zweite Teil - der elektrische Schalter - besteht aus einem Mittelkontakt und seinen beiden Gegenkontakten (bei Ein- und Ausschaltern ist einer der Gegenkontakte durch einen mechanischen Anschlag ersetzt). Im Gegensatz zu konventionellen Schaltern hat der erfindungsgemässe elektrische Schalter die Eigenschaft, dass in der einen Ruhelage der Mittelkontakt mit einer Federkraft gegen den «normally closed»-Kontakt und in der anderen Ruhelage gegen den «normally open» Kontakt gedrückt wird. Die Federkraft kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden:

- Der Mittelkontakt ist über eine federnde mechanische Verbindung am beweglichen Teil des mechanischen Sprungschalters befestigt.

- Der Mittelkontakt ist starr mit dem beweglichen Teil des mechanischen Sprungschalters verbunden; dafür sind die Gegenkontakte federnd gelagert.

- Der Mittelkontakt ist über eine federnde mechanische Verbindung am beweglichen Teil des mechanischen Sprungschalters befestigt und auch die Gegenkontakte sind federnd gelagert.

Bei entsprechender Auslegung bleibt auf diese Art und Weise die Kontaktkraft konstant, auch wenn jeweils die Kraft zwischen Anschlag und beweglichem Teil des mechanischen Sprungschalters gegen den Kipppunkt hin gegen null geht. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert.

Die Fig. 1 Die Fig. 2 In der Fig. 3

Die Fig. 4 Fig. 5 zeigt die Kraft-Weg-Zusammenhänge für einen herkömmlichen Sprungschalter. zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemässen Sprungschalters. ist der Zusammenhang zwischen den Kontaktkräften und dem Betätigungsweg für einen erfindungsgemässen Sprungschalter dargestellt. dient der Berechnung eines Kipppunktes. zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform.

[0006] Das obere Diagramm von Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Betätigungskraft und Betätigungsweg mit der charakteristischen Hysterese. Auch der erfindungsgemässe Sprungschalter verhält sich so.

Im unteren Diagramm von Fig. 1 sind die Kontaktkräfte für einen herkömmlichen Sprungschalter dargestellt: Die Kontaktkraft strebt gegen den Wert null, wenn das System gegen einen Kipppunkt strebt.

2 [0007] Fig. 2 zeigt einen aus zwei» Teilen bestehenden erfindungsgemässen Sprungschalter. Der eine Teil ist ein mechanischer Kippmechanismus und besteht in bekannter Weise aus einem elektrisch leitenden, mit dem Anschluss (10) verbundenen, um eine Achse drehbaren Teil (1 ), den mechanischen Anschlägen (3) und (4), der Druckfeder (2), der über das Gelenk (6) auf den Teil (1 ) wirkenden Feder (5) und dem Stössel (7). Der zweite Teil besteht aus einer mit dem Teil (1) verbundenen, elektrisch leitenden Blattfeder (20) und dem damit verbundenen Mittelkontakt (17). Die Federkonstanten aller federnden Teile sind so gewählt, dass es nur zwei Ruhelagen gibt: Entweder liegen der Mittelkontakt (17) am «normally closed»-Kontakt (1 1 ) und der Teil (1 ) am Anschlag (3) an, oder der Mittelkontakt (17) liegt am «normally open» Kontakt (12) und der Teil (1 ) am Anschlag (4) an. Die Anschläge (3, 4) und die Kontakte (1 1 , 12) sind so angeordnet, dass in einer Ruhelage jeweils der Mittelkontakt (17) wegen der Blattfeder (20) an den Kontakt (1 1 ) resp. Kontakt (12) gepresst wird.

[0008] In Fig. 3 ist der Verlauf der Kontaktkräfte in Funktion des Betätigungsweges für einen solchen Sprungschalter dargestellt. Allerdings wird diese erwünschte Charakteristik nur erreicht, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Der Fachmann ist in der Lage, diese Bedingungen für jede Art von Sprungmechanismus zu formulieren.

[0009] Im Folgenden werden für den Schalter gemäss Fig. 2 mit Hilfe der Fig. 4 diese Bedingungen für einen der beiden Kipppunkte beispielhaft hergeleitet. Für diesen Zweck werden alle Kraftmomente auf den Teil (1 ) auf vertikale Kräfte im Gelenk (6) reduziert und die Drehbewegung des Teils (1 ) linearisiert, was für kleine Auslenkungen des Teils (1 ) statthaft ist. x vom Stössel (7) zurückgelegter Weg.

Δ vom Teil (1) ab dem Anschlag (3) zurückgelegter Weg. k Federkonstante der Feder (5). q (wegen der gewählten Geometrie) negative Federkonstante von Druckfeder (2)). b Federkonstante der Blattfeder (20); nur von Bedeutung, solange sich Mittelkontakt (17) und Kontakt (1 1 ) berühren.

P0nach oben gerichtete Kraft der Druckfeder (2) in der Ruhelage gemäss Fig. 2.

Pk nach unten gerichtete Kraft der Blattfeder (20) in der Ruhelage gemäss Fig. 2.

[0010] Die von der Druckfeder (2) ausgeübte Kraft (30) beträgt:

Kraft (30) = P0+ q*A (q ist negativ)

Die vom Stössel (7) über die Feder (5) ausgeübte Kraft beträgt:

Kraft(31 ) = k*(x-A)

Die über die Blattfeder (20) wirkende Kontaktkraft beträgt:

Kraft (32) = Pk- b*A

Wenn der Teil (1 ) am Anschlag (3) anliegt (Δ = 0), beträgt die nach unten gerichtete Summe der Federkräfte:

Kraft (32) + Kraft (31 ) -Kraft (30) = Pk+ k* x - P0

Der Teil (1 ) ruht am Anschlag (3), falls diese Summe kleiner als null ist:

Pk+ k*x- P0<0 oder x < 1/k*(P0-Pk)

Die Kraft auf den Anschlag (3) wird null, wenn der Stössel (7) die folgende Position hat: x0= 1/k*(P0-Pk)

Nun wird untersucht, ob x = x0ein Kipppunkt ist oder nicht. Für diesen Zweck wird angenommen, dass der Teil (1) um die differentielle Strecke Δ vom Anschlag (3) entfernt ist.

Die Summe aller Kräfte auf den Teil (1 ) ist dann:

P (Δ) = Pk-b* Δ + k* (x-Δ) - (P0+ q*A)

Teil (1 ) ist in einem instabilen Zustand, falls die Ableitung der Summenkraft nach dem Weg Δ positiv ist: d P (Δ) Id Δ = - b - k - q < 0 oder: q < -(b + k) respektive: I q I < b + k

[0011 ] Wenn also der Absolutwert der Federkonstante von Druckfeder (2) grösser als die Summe der Federkonstanten der Feder (5) und der Blattfeder (20) gewählt wird, dann liegt der Kipppunkt bei x = x0/ Δ = 0. Teil (1) ist dann im indifferenten Gleichgewicht. Im Kipppunkt ist die Kontaktkraft erfindungsgemäss grösser als null resp. eine statische Lage, bei welcher die Kontaktkraft null ist, ist ausgeschlossen. Bei der geringsten Störung entfernt sich der Teil (1) mit zunehmender Beschleunigung vom Anschlag (3). Die Kontaktkraft wird - beim Trennen der Kontakte - erst null, wenn der Teil (1 ) bereits Geschwindigkeit aufgenommen hat. Die Kontakte werden daher rasch getrennt - ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Sprungschalters.

[0012] Die oben erwähnten Bedingungen genügen nur, wenn die Reibungskräfte, welche in Lagern oder an den Angriffspunkten der Federn des Kippmechanismus auftreten, vernachlässigbar sind. Je nach Konstruktion ist es deshalb vorteilhaft oder gar notwendig, die Reiblager - häufig sind es Schneidenlager - durch Biegelager zu ersetzen; die Reibungskräfte können dann vernachlässigt werden. Die Federkonstanten der Biegelager sind für die Berechnung der Kippbedingungen natürlich zu berücksichtigen.

3

Claims (2)

1. [0013] In Fig. 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dargestellt. Abgesehen davon, dass statt einer Druck- eine Zugfeder (2) verwendet wird, unterscheidet sie sich von der Ausführungsform gemäss Fig. 2 in einigen Punkten: Der Mittelkontakt (17) ist starr mit dem beweglichen Teil (1) des mechanischen Sprungschalters verbunden. Die Gegenkontakte (11 ) und (12) sind über die Federn (21 ) und (22) federnd gelagert. Der Weg des Teils (1 ) des mechanischen Sprungschalters wird nicht unmittelbar, sondern mittelbar durch die Anschläge (3, 4) begrenzt. Die Anschläge (23, 24) begrenzen den Weg der Gegenkontakte, selbst wenn ihre Federn (21 , 22) eine Vorspannung zur Erhöhung der Kontaktkraft haben. Patentansprüche 1. Der erfindungsgemässe Sprungschalter ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet: - Er besteht zum einen aus einem konventionellen mechanischen Kippmechanismus mit einem beweglichen Teil, dessen Weg durch zwei Anschläge begrenzt ist. - Der Mittelkontakt des elektromechanischen Schalters ist entweder über eine federnde Verbindung am erwähnten beweglichen Teil befestigt und die Gegenkontakte sind unbeweglich oder der Mittelkontakt ist starr mit dem beweglichen Teil verbunden und dafür sind die Gegenkontakte federnd gelagert oder Mittelkontakt und Gegenkontakte sind federnd gelagert. - Die gesamte Mechanik ist so ausgelegt, dass es nur zwei Ruhelagen gibt. - Diese Ruhelagen sind dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der bewegliche Teil des mechanischen Kippmechanismus unmittelbar oder mittelbar an einem Anschlag und der Mittelkontakt an einem Gegenkontakt anliegen und dabei entweder von der federnden Verbindung des Mittelkontakts oder der Feder des Gegenkontakts oder von beiden eine Kontaktkraft erzeugt wird.
2. 2. Sprungschalter gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reib- oder Schneidenlager des Kippmechanismus durch ein Biegelager ersetzt ist. 4