DE2043181A1 - Schnappscheibe - Google Patents

Description

Anmelder: Therm-0-Disc, Incorporated, P.O. Box 1538, Mansfield, Ohio, USA

S chnapps ehe ibe

Die Erfindung betrifft eine Schnappscheibe, insbesondere eine bimetallische Schnappscheibe, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu ihrer Herstellung.

Bekannte Schnappscheiben sind mit radial verlaufenden Wellungen versehen, die sich von dem Umfang der Scheibe zu einer Öffnung im Zentrum der Scheibe erstrecken (vergl. US-Patentschrift 1 895 591). Wegen dieser gewellten Ausbildung ist eine beträchtliche Materialmenge der Scheibe vorhanden und eine beträchtliche Bewegung zwischen den beiden stabilen Lagen.

Andere Schnappscheiben, die aus Bimetall oder aus einem einzigen Metall bestehen, werden durch Dehnung des zentralen Teils einer ebenen Metallscheibe hergestellt, um eine schalenförmige Scheibe herzustellen, welche etwa eine kugelförmige Gestalt hat. Derartige Scheiben werden gewöhnlich so hergestellt, daß die Scheibe in einer Matrize entlang ihrem Umfang aufgelegt wird, wobei eine Matrize mit einem sphärischen Ende gegen das Zentrum der Scheibe gedrückt wird, um das Metall zu dehnen und die schalenförmige Gestalt herzustellen (vergl. US-Patentschriften 2 717 936 und 2 954 447). Die Schnappbewegung derartiger nicht gewellter Scheiben ist jedoch nicht so groß wie diejenige bekannter gewell-

1098H/U67

ter Scheiben. Derartige Scheiben arbeiten jedoch genauer.

Schnappscheiben werden oft aus einem nicht metallischen Material hergestellt. Derartige Scheiben finden in pneumatisch oder hydraulisch betätigten Schalteinrichtungen und anderen Mechanis:-,_; men Verwendung, in denen eine Schnappwirkung erforderlich ist· Wenn zur Herstellung der Scheibe ein Bimetall Verwendung findet, spricht diese auf Temperaturänderungeη an, wobei die seitliche Kraft zum Umschnappen der Scheibe zumindest teilweise durch die unterschiedliche Ausdehnung der beiden Metalle bewirkt wird. Bimetallische Schnappscheiben finden häufig in Thermostaten Verwendung, um eine Schnappwirkung in Abhängigkeit von Temperatüränderungen zu bewirken. Die Erfindung ist insbesondere auf bimetallische Schnappscheiben anwendbar, obwohl sie auch für Schnappscheiben aus einem Metall verwendbar ist.

Eine bimetallische Schnappscheibe hat zwei stabile Lagen. Wenn die Temperatur der Scheibe unter einer vorherbestimmten Temperatur liegt, die durch die Herstellung der Scheibe bestimmt ist, befindet sie sich in einer der beiden stabilen Lagen. Wenn die Temperatur der Scheibe auf eine zweite vorherbestimmte Temperatur erhöht wird, schnappt die Scheibe in die zweite stabile Lage und bleibt in dieser, solange die Temperatur der Scheibe oberhalb der zweiten Temperatur bleibt. Wenn die Temperatur der Scheibe dann auf die erste vorherbestimmte Temperatur erniedrigt wird, schnappt sie in ihre erste stabile Lage zurück.

Der Unterschied zwischen diesen beiden Temperaturen ist die Temperaturdifferenz der Scheibe. Im allgemeinen ist es schwierig, schalenförmige bimetallische Schnappscheiben herzustellen, die bei hohen oder niedrigen Temperaturen arbeiten, ohne daß diese Temperaturdifferenz verhältnismäßig groß ist. Dies ist der Fall, weil die Tiefe bei einem gegebenen Scheibenmaterial bei einer typischen Scheibe erhöht werden muß, um eine ausreichende Festigkeit oder Steifheit zu gewährleisten, welche den hohen, durch Temperaturänderungen bedingten Kräften bei hohen oder niedrigen Temperaturen widersteht. Die Tiefe hat jedoch auch einen Einfluß auf den Untere schied der seitlichen Kräfte, die zur Rückführung der Scheibe in ihre Ausgangslage erforderlich sind, weshalb große Tiefen verhältnismäßig große Temperaturdifferenzen bedingen.

1098U/U67

ORDINAL INSPECTED

-3- . 2U43181

Es wurden zahlreiche Vorschläge gemacht, um diese Schwierigkeit zu überwinden und um die Herstellung von Scheiben sehr hoher oder niedriger Temperaturen zu ermöglibhen, die eine verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenz haben. Ein Vorschlag besteht darin, ein dickeres Metall zu verwenden, so daß die Scheibe eine ausreichende Steifheit hat, um der thermisch verursachten Kraft zu widerstehen, ohne daß eine große Tiefe erforderlich ist. Ein anderer Vorschlag besteht darin, ein Bimetall zu verwenden, das weniger aktiv ist (das also eine kleinere Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle hat), so daß die thermisch verursachten Kräfte bei einer hohen oder niedrigen 'Temperatur nicht so groß sind.

Die Verwendung einer dickeren Metallscheibe ist aus mehreren Gründen nicht wünschenswert, weil dadurch die Materialkosten für die Herstellung der Scheibe und die Wahrscheinlichkeit von Ermüdungserscheinungen erhöht wird, wenn die Scheibe wiederholt umschnappt. Bei der Verwendung eines weniger aktiven bimetallischen Materials ergibt sich dagegen die Schwierigkeit, daß die Herstellung der Scheibe sehr kritisch ist, weil die thermisch induzierten Kräfte zur Betätigung der Scheiben klein sind und sehr kleine Unterschiede der Scheibenform die Betriebseigenschaften der Scheibe beträchtlich ändern.

Beide Vorschläge verringern in einem gewissen Ausmaß die Schwierigkeit der Herstellung von Scheiben für hohe oder niedrige Temperaturen bei einer hohen niedrigen Temperaturdifferenz. Selbst wenn jedoch einer oder mehrere dieser Vorschläge Verwendung finden, ist es fast unmöglich, derartige Bimetallscheiben gewerblich herzustellen, wenn diese bei hohen oder niedrigen Temperaturen mit geringen Temperaturdifferenzen arbeiten sollen. Selbst wenn bisher einer oder mehrere dieser Vorschläge angewandt wurden, hat beispielsweise eine bimetallische Schnappscheibe, welche bei einer Temperatur von etwa 183°C schnappt, eine Temperaturdifferenz von etwa 67°C. Deshalb schnappt sie bei einer Temperatur von etwa 110 C zurück.

Eine bimetallische Schnappscheibe gemäß der Erfindung kann dagegen so hergestellt werden, daß sie bei verhältnismäßig hohen Tem-

10Ö8U/U87

peraturen mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperaturdifferenz arbeitet, ohne daß spezielle Materialien oder Materialien mit einer speziellen Dicke erforderlich sind. Beispielsweise wurden Schnappscheiben gemäß der Erfindung aus üblichem Bimetall mit einer Arbeitstemperatur oberhalb 171°C und einer Temperaturdifferenz von weniger als 5,5 C hergestellt. Eine derartige Scheibe schnappte in der einen Richtung bei einer Temperatur von 175°C in der einen Richtung und zurück in ihre Ausgangslage bei einer Temperatur von

Eine Schnappscheibe ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die Steifheit ohne eine zu große Tiefe erzielt wird. Diese Steifheit wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch erreicht, daß flache, finnenförmige (muschelartige) Wölbungen ausgebildet werden, die sich vom Zentrum der Scheibe zu dem Umfang in Abständen voneinander erstrecken. Diese sich radial erstreckenden Wölbungen ergeben eine Steifheit ohne eine zu große Tiefe. Eine derartige Scheibe hat deshalb eine verhältnismäßig geringe Tiefe und deshalb auch eine verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenz, obwohl sie eine ausreichende Steifheit hat, um verhältnismäßig hohen thermisch induzierten Kräften widerstehen zu können. Eine aus einem einzigen Metall bestehende Scheibe gemäß der Erfindung ist auch vorteilhaft, weil eine derartige Scheibe gegenüber verhältnismäßig großen seitlichen Kräften formbeständig ist, bevor sie umschnappt, ohne daß dabei eine große Differenz der seitlichen Kraft erforderlich ist, bevor sie in ihre Ausgangslage zurückschnappt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schnappscheibe der eingangs genannten Art so auszubilden, daß deren Tiefe bei ausreichender Steifheit möglichst gering ist, so daß insbesondere eine bimetallische Schnappscheibe bei hohen oder auch niedrigen Temperaturen mit einer sehr kleinen Temperaturdifferenz arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Schnappscheibe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Scheibe durch sich in radialer Richtung erstreckende Auswölbungen versteift ist.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

1 0 9 8 U / U 6 7

2CM3181

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schnappscheibe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Formmatrize zur Herstellung einer Scheibe gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Formmatrizen in Fig. 3;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schnappscheibe gemäß der Erfindung, wobei die Auswölbungen einen wellenförmigen Scheibenumfang bilden?

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Formmatrize, die zur Herstellung einer Scheibe gemäß Fig. 5 Verwendung findet?

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine bekannte Schnappscheibe in den beiden stabilen Lagen; und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Ausbiegung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Die in Fig. 8 dargestellte bekannte Schnappscheibe, die aus einem Metall oder aus einem Bimetall bestehen kann, besitzt die in ausgezogenen Linien dargestellte Gestalt. Eine derartige Scheibe ist kreisförmig und hat in gewissen Fällen eine kleine zentrale Öffnung. Scheiben dieser Art werden aus einer ebenen kreisförmigen Scheibe verformt, um das Material der Scheibe zu dehnen und die konkave Gestalt herzustellen, die in Fig. 8 in ausgezogenen Linien dargestellt ist.

Wenn die Scheibe aus Bimetall besteht und bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur arbeiten soll, wird die Scheibe von der Seite 11 her verformt, an der das Material mit dem höheren Ausdehnungskoeffizienten vorhanden ist. Die Eindringtiefe des Stempels bestimmt bei der Herstellung die obere Temperaturgrenze der Arbeitsweise der Scheibe.

Die Scheibe 10 ist in einer ihrer stabilen Lagen in ausgezogenen Linien dargestellt. Wenn diese Scheibe aus Bimetall besteht und bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur arbeiten soll,

1098U/U67

ist das Metall mit dem größeren Ausdehnungskoeffizienten auf der Seite 11 und das Metall mit dem niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten auf der Seite 12 vorgesehen. Wenn die Temperatur der Scheibe bis in der Nähe der oberen Arbeitstemperatur erhöht wird, bewegt sich die Scheibe aus der in gestrichelten Linien dargestellten oberen Lage in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Lage mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit. Die in ausgezogenen Linien dargestellte Lage wird als die erste atabile Lage bezeichnet. Sobald die Scheibentemperatur die obere Grenztemperatur erreicht, schnappt die Scheibe in die mit gestrichelten Linien dargestellte untere Lage um. Wenn die Scheibentemperatur weiter erhöht wird, wölbt sich die Scheibe noch weiter nach unten aus.

Wenn die Temperatur der Scheibe verringert ist und wenn die Temperatur ihren unteren vorherbestimmten Grenzwert erreicht, bewegt sich die Scheibe in ihre zweite stabile Lage, die in gestrichelten Linien dargestellt ist. Wenn die Temperatur unter die vorherbestimmte untere Temperaturgrenze verringert wird, schnappt die Scheibe in die obere Lage zurück. Wenn die Temperatur weiter erniedrigt wird, bewegt sich die Scheibe über die gestrichelt dar gestellte obere Lage hinaus. Der Einfachheit halber soll gesagt werden, daß die beiden stabilen Lagen die angrenzenden Lagen umfassen, welche durch die Scheibe entsprechend weiteren Temperatur änderungen allmählich eingenommen werden. Jedoch ist die diskutier te Tiefe die Tiefe zu der inneren konkaven Oberfläche der Scheibe in einer der stabilen Lagen der Scheibe, bevor diese in die an dere stabile Lage umschnappt. Deshalb ist die Tiefe h die Tiefe der Scheibe, wenn die Scheibe sich in der ersten stabilen Lage befindet, bevor sie in die zweite stabile Lage umschnappt. Die Tiefe h¹ ist die Tiefe der Scheibe zu der konkaven Innenfläche, wenn die Scheibe sich in der zweiten stabilen Lage befindet, be-

-* vor sie in ihre erste stabile Lage umschnappt. Die Tiefe h ist

to praktisch gleich der Tiefe h¹.

-*· Die Temperatur, bei welcher die Scheibe von der ersten in die -^ zweite stabile Lage umschnappt, ist weitgehend durch die Tiefe h ^t und h¹ bestimmt. Die thermisch induzierte Kraft F, durch welche ^OT die Scheibe in die zweite stabile Lage deformiert wird, ist eine Funktion der Temperatur und wird durch die unterschiedliche Ausdehnung des Materials der Seite 11 bzw. der Seite 12 bewirkt.

-7- - 20 A3 1 8 1

Bei höheren Temperaturen ist die Kraft F größer und die Tiefe muß größer sein, um dieser Kraft zu widerstehen und eine frühzeitige Schnappwirkung zu verhindern. Nach dem Einschnappen der Scheibe in die zweite stabile Lage hat die Scheibe eine Tiefe h¹. Wenn die Temperatur der Scheibe abfällt, nimmt die Kraft F ab, welche die Scheibe in der zweiten stabilen Lage hält. Wenn die Tiefe h¹ klein ist, kann die Scheibe in die erste stabile Lage zurückschnappen, obwohl immer noch eine nach unten gerichtete Kraft F vorhanden ist. Eine derartige Scheibe kann eine verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenz haben. Wenn jedoch die Scheibe eine große Tiefe h hat, hat sie eine entsprechend große Tiefe h'. Deshalb neigt eine derartige Scheibe dazu, in der zweiten stabilen Lage zu bleiben und kann in dieser zweiten stabilen Lage bleiben, bis die Temperatur auf einen ausreichend niedrigen Wert fällt, welche die Richtung der thermisch induzierten Kraft umkehrt, wie durch die Kraft F¹ dargestellt ist, bevor die Scheibe in ihre erste stabile Lage zurückschnappt. Da die Höhe h normalerweise verhältnismäßig groß ist, wenn die Scheibe bei hohen Temperaturen arbeiten soll, und weil die Tiefe h¹ nahezu gleich der Tiefe h ist, haben Scheiben für hohe Temperaturen gewöhnlich eine sehr große Temperaturdifferenz.

Die gestrichelte Kurve in Fig. 9 zeigt eine typische Verformungskurve einer bekannten Scheibe der in Fig. 8 dargestellten Lage. In dieser Kurve ist auf der Ordinate die Verformung und auf der Abszisse die Kraft (oder Temperatur) aufgetragen. Wenn die Scheibe aus Bimetall besteht, wird die Kraft thermisch erzeugt, so daß auf der Ordinate auch die Temperatur aufgetragen sein kann, weil die thermisch induzierte Kraft, welche das Umschnappen bewirkt, eine Funktion der Temperatur ist.

Wenn die Scheibe aus Bimetall besteht, wird bei einem Anstieg der Scheibentemperatur von der Raumtemperatur auf die obere Temperaturgrenze eine Deformation der Scheibe bis zum Punkt 13 bewirkt. Die Scheibe bewegt sich allmählich in eine Lage A, welche der Stelle 13 entspricht, und kennzeichnet die erste stabile Lage unmittelbar vor dem Umschnappen. Bei einer Erhöhung der Temperatur schnappt die Scheibe in die Lage 15. Wenn die Temperatur der Scheibe weiter erhöht wird, bewegt sie sich entlang der Kurve

1098U/U67

in die Lage 14. Wenn jedoch die Scheibentemperatur dann erniedrigt wird, bewegt sich die Scheibe allmählich in die zweite stabile Lage 15, welche durch die Verformungsiage B gekennzeichnet ist. Bei Erniedrigung der Temperatur schnappt dann die Scheibe in die Lage 16.

Die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an der Stelle 13 und der Temperatur an der Stelle 15 kennzeichnet die Temperaturdifferenz Δτ der Scheibe. Allgemein gesprochen wird bei einer Erhöhung der Tiefe die Temperaturdifferenz Δτ zwischen den Stellen 13 und 15 drastisch erhöht- Die ausgezogene Kurve in Fig. 9 zeigt die Arbeitsweise einer typischen Scheibe gemäß der Erfindung. Diese Kurve soll später näher erläutert werden.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Scheibe 20, die mit sich verjüngenden Wölbungen 21 ausgebildet ist, die sich vor dem Umfang 22 der Scheibe zu deren Zentrum 23 erstrecken. Die Scheibe 20 hat acht Wölbungen 21, die symmetrisch entlang dem Umfang der Scheibe angeordnet sind. Diese Wölbungen 21 erstrecken sich nach innen bis zu dem Zentrum, aber enden an Stellen 24 in einem Abstand von dem Zentrum 23 der Scheibe. Die Wölbungen 21 in der Scheibe 20 sind keilförmig und verjüngen sich von einer maximalen Breite w an dem Umfang 22 bis zu einem Konvergenzpunkt 24. Die Höhe χ der Wölbungen 21 ist am Umfang 22 maximal und an der Stelle 24 praktisch gleich Null. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Breite w der Wölbungen 21 so angeordnet, daß die Wölbungen 21 voneinander durch Zwischenabschnitte 26 getrennt sind, wie aus der Figur ersichtlich ist. Da die Scheibe 20 acht Wölbungen 21 hat, beträgt die Breite w weniger als 1/8 des Umfangs der Scheibe.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Scheibe 20 nach oben entsprechend einer Tiefe a von einer Bezugsebene 27 gewölbt. Die Tiefe h ist aus Gründen der Deutlichkeit der Darstellung übertrieben dargestellt. Es ist jedoch zu beachten, daß die Höhe χ der Wölbungen 21 geringer als die Tiefe h ist, so daß selbst das Material entlang den Rücken 28 nach oben zu dem Zentrum 23 der Scheibe gewölbt ist. In den meisten Fällen sind die Rücken 28 schärfer umgebogen als die Wurzeln 29, wo die Wölbungen in die Zwischenbereiche 26 übergehen. Die Rücken 28 und die Wurzeln 29

1098 U/ 1 467

-9- · 2ÜA3181

sollten nicht so scharf sein, daß sie Spannungskonzentrationen bewirken, die Ermüdungserscheinungen oder ein sonstiges Fehlverhalten der Scheibe bedingen könnten.

Wenn die Scheibe von ihrer ersten stabilen Lage, die in Fig. in ausgezogenen Linien dargestellt ist, in ihre .zweite stabile Lage umschnappt, die in Fig. 2 in gestrichelten Linien dargestellt ist, bewirken die keilförmigen Wölbungen 21 eine Steifheit, die einer derartigen Bewegung entgegenwirkt. Nach dem Umschnappen in die zweite stabile Lage hat die Scheibe eine Tiefe h¹, die praktisch gleich der Tiefe h ist, die aber etwas kleiner sein kann, weil die Wölbungen 21 eine weiterhin wirksame Kraft bedingen, welche die Scheibe in ihre erste stabile Lage zurückdrückt.

Da die Scheibe versucht, in der ersten stabilen Lage zu bleiben, wenn seitliche Kräfte nicht ausgeübt werden, ist eine Kraft F erforderlich, um die Scheibe in ihre zweite stabile Lage zu bewegen. Sobald sie sich in die untere stabile Lage bewegt, bleibt sie in dieser Lage, wenn die Kraft F abnimmt. Da jedoch die Tiefe h¹ klein ist, versucht sie in die erste stabile Lage zurückzuschnappen, wenn die darauf ausgeübte Kraft immer noch nach unten gerichtet ist, welche Kraft einen kleineren Wert F¹ hat. Die Differenz des absoluten Betrags der Kräfte F und F' bestimmt die Temperaturdifferenz der Arbeitsweise, wenn die Schnappscheibe aus Bimetall gebildet ist, oder die Kraftdifferenz, wenn die Schnappscheibe aus einem Metall besteht.

Wenn die Scheibe bei hoher Temperatur Verwendung finden soll, ist die Unterseite 31 der Scheibe die Seite mit dem hohen Ausdehnungskoeffizienten des Bimetalls, während die Oberseite 32 die Seite mit dem niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten ist. Wenn die Temperatur der Scheibe ansteigt, steigt der Wert der thermisch induzierten Kraft in der Abwärtsrichtung an, bis eine Kraft mit dem Betrag F erreicht wird. Dann schnappt die Scheibe in die untere stabile Lage und bleibt in dieser Lage, solange die Kraft einen Wert hat, der größer als die Kraft F¹ ist. Da die thermisch induzierte Kraft in diesem Fall von der Temperatur abhängt, und weil der absolute Wert der Kraft F¹ fast so groß wie der absolute Wert der Kraft F ist, versucht die Scheibe in ihre Ausgangslage zurückzuachnappen, wenn die Scheibentemperatur nur verhältnismäßig we-

1098U/U67

-ίο- 2ÜA3 1 8 1

ηίj verringert wird. Wenn eine geringe Temperaturdifferenz der Arbeitsweise erwünscht ist, werden kleine Tiefen h und h¹ vorgesehen, und die grundsätzliche Struktur für den Widerstand gegen ein Umschnappen ist durch die Steifheit der Wölbungen 21 gegeben. In den meisten Fällen hat die Scheibe eine verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenz, wenn die Tiefen h und h¹ kleiner als etwa 1% des Durchmessers der Scheibe sind. Beispielsweise hat also eine Scheibe von 25 mm Durchmesser eine Tiefe von 0,25 mm. Wenn eine erhöhte Steifheit für eine Arbeitsweise bei höheren Temperaturen erwünscht ist, kann die Höhe χ der Wölbungen erhöht werden, die Länge der Wölbungen kann erhöht werden, so daß sie sich näher zu dem Zentrum 23 erstrecken, oder die Scheibe kann mit einer größeren Anzahl von Wölbungen versehen werden. In dieser Weise kann die Steifheit der Scheibe erhöht werden, ohne die Tiefe zu vergrößern. Deshalb ist es möglich, Scheiben für eine Arbeitsweise bei höherer Temperatur herzustellen, ohne daß die Tiefe vergrößert werden muß und ohne daß eine Scheibe ausgewählt werden muß, die mit einer großen Temperaturdifferenz arbeitet. In einigen Fällen kann die Scheibe so ausgebildet werden, daß einige der Wölbungen sich bis zum Zentrum erstrecken und dort an gegenüberliegende Wölbungen angrenzen.

Wenn die Scheibe für eine Arbeitsweise bei einer niedrigen Temperatur bestimmt ist, wird sie so ausgebildet, daß die Seite mit dem größeren Ausdehnungskoeffizienten auf der Seite 32 liegt und die Seite mit dem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf der Seite 31. Die Arbeitsweise entspricht jedoch der oben beschriebenen. Wenn die Scheibe nicht auf Temperaturänderungen ansprechen soll und aus einem einzigen metallischen Material besteht, können die Kräfte F und F¹ auf die Scheibe in irgendeiner gewünschten Weise ausgeübt werden, beispielsweise durch einen hydraulischen Druck oder durch ein Gestänge. Das Umschnappen zwischen den beiden stabilen Lagen tritt jedoch mit verhältnismäßig kleinen Änderungen der Größe der Kraft auf, so daß die Scheibe innerhalb geringer Differenzbeträge betätigbar ist.

Fig. 3 und 4 zeigen Werkzeuge zur Herstellung der Scheibe in den Fig. 1 und 2. Dieses Werkzeug umfaßt einen Stempel 36 und eine Matrize 37. Die Stirnfläche des Stempels 36 hat acht Rippen 38,

1098U/U67

-ii- 2UA3181

die sich von dem Zentrtim 39 zu der Kante 41 des Stempels erstrecken. Die Rippen 38 verjüngen sich in der vom Zentrum 39 wegweisenden Richtung mit einem Winkel relativ zu einer Ebene senkrecht zu der Stempelachse. Zwischen den Rippen 38 ist die Endfläche des Stempels 36 mit Einbuchtungen 42 ausgebildet.

Die Matrize 37 ist mit einer Stirnfläche versehen, in der sich acht Teile 43 in radialer Richtung erstrecken, die von dem Umfang 44 der Matrize zu Enden 46 in einem Abstand von dem zentralen Teil der Matrize verlaufen. Die Keile 43 sind voneinander durch Rillen 47 in der Stirnfläche der Matrize getrennt. Die Stirnflächen 48 der Keile sind mit einem Winkel b geneigt ausgebildet, relativ zu einer Ebene senkrecht zu der Matrizenachse. Der Winkel b ist etwas größer als der Winkel a.

Wenn eine ebene Scheibe zwischen dem Stempel 36 und der Matrize 37 angeordnet wird und wenn der Stempel zu der Matrize bewegt wird, greift der Stempel mit seinem Zentrum 39 zuerst an der Scheibe an, sowie an den Stirnflächen 48 entlang dem Umfang. Bei einer Weiterbewegung des Stempels wird das Scheibenmaterial gedehnt, bis es im wesentlichen schalenförmig ausgebildet ist, mit einem Winkel, der angenähert gleich dem Winkel a ist. Zu diesem Zeitpunkt steht jedoch die Scheibe immer noch lediglich mit den Stirnflächen 48 praktisch nur im Urafangsbereich in Berührung. Eine weitere Abwärtsbewegung bewirkt, daß die äußeren Teile der Rippen 38 in die Zwischenräume 47 zwischen den Keilen 43 eintreten, um die Wölbungen zu bilden. Deshalb beginnt die Ausbildung der Wölbungen im Umfangsbereich und die maximale Höhe χ der Wölbungen tritt entlang des Umfangs auf.

Es wurde festgestellt, daß eine Scheibe mit einem einzigen Preßschlag mit diesen Werkzeugen von nur einer Seite her ausgebildet werden kann, und daß eine derartige Scheibe eine Schnappscheibe sein kann, die zwei stabile Lagen hat, zwischen denen eie umschnappen kann. Gewünschtenfalls kann jedoch die Scheibe danach von der anderen Seite, vorzugsweise mit einem üblichen sphärischen Werkzeug und einer entsprechenden Matrize verpreßt werden, welche die Scheibe an ihrem Umfang abstützt. Durch diesen zweiten Preßschlag kann die Temperaturdifferenz der Arbeitsweise auf den gewünschten Betrag erhöht werden.

1 0 9 8 U / U 6 7

-12- 2 U A 3 1 8 1

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel einer Schnappscheibe gemäß der Erfindung. Diese Scheibe 60 hat Wölbungen 61, die eine ausreichende Breite haben, um aneinander anzugrenzen, ohne daß dazwischen flache Abschnitte vorgesehen sind. Die Scheibe 60 hat ebenfalls acht Wölbungen, die sich von dem Umfang der Scheibe zu dem Zentrum 62 erstrecken, aber an Stellen 66 in einem Abstand von dem Zentrum enden. Da die Wölbungen 61 aneinander angrenzend ausgebildet sind, ist die Breite w der Wölbung an der Kante der Scheibe gleich der Tiefe von einem Achtel des Scheibenumfangs. Jede der Wölbungen hat einen Rücken 63 und zwei Wurzeln Die Wölbungen 61 haben eine Höhe x, die angrenzend an den Rand der Scheibe am größten ist, und sich auf Null an den inneren Enden 66 verringert. Auch in diesem Fall sind die Rücken 63 etwas gekrümmt, weil die Höhe χ kleiner als die Tiefe h der Scheibe ist. In Fig. ist die Tiefe h der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt.

Der Winkel der Wurzeln 64 relativ zu der Bezugsebene 67 ist größer als der Winkel der Rücken 63, und der zentrale Teil der Scheibe innerhalb der Enden 66 der Wölbungen 61 hat im wesentlichen einen glatten Übergang mit einer schalenförmigen sphärischen Gestalt.

Wenn die Scheibe 60 von der in Fig. 6 mit ausgezogenen Linien dargestellten ersten stabilen Lage in die in gestrichelten Linien dargestellte zweite stabile Lage umschnappt, hat sie eine Tiefe h¹, die praktisch gleich der Tiefe h ist. Da die Seitenwände 65 der Wölbungen bei diesen Ausführungsbeispxelen nicht so steil sind, ist die dadurch gegebene Steifheit geringer als bei dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 1 und 2. Die Arbeitsweise der Scheibe entspricht jedoch derjenigen der Scheibe in Fig. 1 und 2, indem eine Scheibe gemäß Fig. 5 und 6, die aus Bimetall hergestellt ist, für relativ hohe oder niedrige Betriebstemperaturen mit einer geringen Temperaturdifferenz der Arbeitsweise hergestellt werden kann. Eine Scheibe aus einem Metall entsprechend dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 5 und 6 kann in entsprechender Weise so hergestellt werden, daß eine verhältnismäßig große Betätigungskraft bei einer relativ geringen Kraftdifferenz der Arbeitsweise erforderlich ist.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Scheibe kann mit den in Fig. 7 dargestellten Werkzeugen hergestellt werden. Der Stempel

1 098 U/ U67

2Ü43181

hat eine Stirnfläche mit schmalen Rippen 38', ähnlich wie der Stempel 41 in Fig. 4. Die Matrize 72 hat jedoch schmalere keilförmige' Stirnflächen 73 und breitere Zwischenräume 74. Die Stirnflächen 73 sind ziemlich schmal, so daß die Wurzeln 64 der Wölbungen relativ scharf sind. Da die Scheibe nicht entlang eines beträchtlichen Flächenbereichs abgestützt ist, werden die Zwischenabschnitte durch die Werkzeuge in Fig. 7 nicht verformt. Auch in diesem Fall erstrecken sich die keilförmigen Stirnflächen 73 zu dem Zentrum der Matrize, enden aber in einem Abstand davon. Auch der Winkel der Stirnflächen relativ zu der Ebene senkrecht zu der Achse der Matrize 72 ist größer als der Winkel der Rippen 38' des Stempels 71 relativ zu der Ebene senkrecht zu der Stempelachse. Deshalb haben die Wölbungen eine maximale Höhe χ am Rand der Scheibe und eine sich verringernde Höhe χ in Richtung auf das Zentrum der Scheibe. Die Matrizen beider Ausführungsbeispiele bilden die Wölbungen in erster Linie durch Dehnung des Metalls und ändern den Scheibendurchmesser nicht beträchtlich.

Auf diese Weise kann eine Schnappscheibe durch einen einzigen Preßschlag mit den Werkzeugen in Fig. 7 hergestellt werden. Es kann jedoch ein zweiter Preßschlag von der entgegengesetzten Richtung mit einem üblichen sphärischen Stempel bei einer üblichen Abstützung durch die Matrize entlang dem Umfang durchgeführt werden, um die Temperaturdifferenz der Arbeitsweise auf einen gewünschten Betrag zu erhöhen. Es wurde festgestellt, daß die Kraft einer Scheibe entsprechend diesem Ausführungsbeispiel etwas geringer als die Kraft einer Scheibe ist, wenn vergleichbare Betriebstem peraturen vorliegen, die jedoch entsprechend dem Ausführungsbei spiel in den Fig. 1 und 2 ausgebildet ist.

Die ausgezogene Kurve 81 in Fig. 9 zeigt die Verformung einer typischen Scheibe gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Kraft oder Temperatur. Die Scheibe bewegt' sich allmählich von dem Nullpunkt zu dem Punkt 82 bei ansteigender Kraft, oder bei ansteigender Temperatur in dem Fall einer Birnetallscheibe. In der stabilen Lage 82 führt eine weitere Erhöhung der Temperatur oder der Kraft dazu, daß die Scheibe in die Lage 83 umschnappt. Bei Verringerung der Temperatur oder Kraft wird die zweite stabile Lage 84 erreicht und die Scheibe schnappt in die Lage 86 zurück. Bei

1 0 9 8 H / U 61

2UA3181

derartigen Scheiben ist die Temperaturdifferenz der Arbeitsweise oder die Kraftdifferenz durch die Größe ΔΤ¹ gekennzeichnet. Ein Vergleich der beiden Kurven zeigt, daß die Temperaturdifferenz der Arbeitsweise viel kleiner ist, obwohl die Scheibe eine Scheibe für höhere Temperaturen ist, als die übliche Scheibe, die durch die gestrichelten Linien gekennzeichnet ist. Es ist ersichtlich, daß eine Scheibe mit einer Ausbildung gemäß der Erfindung eine positive Federkonstante hat, die der normalen Federkonstanten einer üblichen Scheibe überlagert ist, welche sich entsprechend der gestrichelten Kurve verhält.

Obwohl bei den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils acht Wölbungen vorgesehen sind, kann eine geringere oder größere Anzahl von Wölbungen vorgesehen sein. Im allgemeinen haben Scheiben mit einem kleineren Durchmesser eine kleinere Anzahl von Wölbungen als Scheiben mit einem größeren Durchmesser.

Da bimetallische Schnappscheiben gemäß der Erfindung für hohe oder niedrige Betriebstemperaturen mit einer verhältnismäßig kleinen Temperaturdifferenz der Arbeitsweise hergestellt werden können, ohne daß dickes Bimetallblech erforderlich ist, bestehen keine Probleme auf Grund von Ermüdungserscheinungen. Ferner kann ein verhältnismäßig aktives bimetallisches Material derart Verwendung finden, wie es auch in üblichen Matrizen Verwendung findet. Weil die Scheibe ohne die Verwendung von speziellen Materialien hergestellt werden kann, sind die Investitionskosten für den Hersteller verringert und in vielen Fällen können Scheiben hergestellt werden, die bisher nach bekannten Verfahren nicht in gewerblich verwertbarer Weise hergestellt werden konnten.

Patentansprüche

10981 4/1 467

Claims (23)

-is- 2U43181 Patentansprüche

1. Schnappscheibe, die im wesentlichen aus einer kreisförmigen Metallscheibe besteht, die schalenförmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von flachen Wölbungen vorgesehen sind, die getrennt von dem Umfang im wesentlichen radial zu dem Zentrum der Scheibe verlaufen, daß die Scheibe zwischen zwei stabilen Lagen umschnappen kann, in welchen die Scheibe in entgegengesetzter Richtung ausgewölbt ist, wobei die Wölbungen die Steifheit der Scheibe im Vergleich zu einer Scheibe ohne derartige Wölbungen erhöht und den Widerstand der Scheibe gegen eine Bewegung zwischen diesen Lagen erhöht.

2. Schnappscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen eine maximale Höhe angrenzend an den Umfang der Scheibe haben, welche allmählich in Richtung auf das Zentrum abnimmt.

3. Schnappscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen sich zu inneren Enden erstrecken, die in einem Abstand von dem Umfang der Scheibe liegen und daß in Richtung auf die inneren Enden die Höhe praktisch auf Null abnimmt.

4. Schnappscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden in einem Abstand von dem Zentrum der Scheibe vorgesehen sind.

5. Schnappscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe mit einem glatt gewölbten zentralen Teil radial innerhalb der inneren Enden der Wölbungen versehen ist.

6. Schnappscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe keine Öffnungen hat.

1098U/1 467

7. Schnappscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen gegenüberliegende Seitenwände aufweisen, die relativ zu der Scheibe geneigt sind und entlang einem Rückenteil verbunden sind.

8. Schnappscheibe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Tiefe in ihrem Zentrum hat, und daß die maximale Höhe der Wölbungen geringer als diese Tiefe ist.

9. Schnappscheibe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen eine so große Breite haben und in einer so großen Anzahl vorgesehen sind, daß jede Wölbung sich in seitlicher Richtung zu der angrenzenden Wölbung erstreckt.

10. Schnappscheibe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen voneinander durch einen allmählich übergehenden gewölbten Zwischenbereich getrennt sind.

11. Schnappscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Bimetallscheibe ist.

12. Schnappscheibe aus einem elastischen Material, die schalenförmig mit einer bestimmten Tiefe ausgebildet ist und zwischen einer ersten und zweiten stabilen Lage umschnappen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Scheibe so klein ist, daß die Differenzgröße der Arbeitsweise klein ist, und daß die Scheibe eine besondere Versteifung aufweist, welche einer Bewegung von der ersten Lage in die zweite Lage entgegenwirkt.

13. Schnappscheibe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Bimetallscheibe ist und daß die Tiefe so klein ist, daß die Temperaturdifferenz der Arbeitsweise verhältnismäßig klein ist.

14. Schnappscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe nicht größer als otwa 1% dos Durchmessers der Scheibe ist.

1 0 9 8 1 Ul 1 - Γ "

2Ü43181

15- Schnappscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung die Scheibe in die erste stabile Lage drückt, selbst wenn die Scheibe sich in der zweiten stabilen Lage befindet.

16. Schnappscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung durch Wölbungen gebildet ist, die sich von dem Umfang der Scheibe nach innen erstrekken, und daß diese Wölbungen eine maximale Steifheit angrenzend an der Scheibe bedingen, welche Steifheit zu dem Zentrum der Scheibe abnimmt.

17. Schnappscheibe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung muschelartige Wölbungen sind, die sich radial von dem Rand der Scheibe zu deren Zentrum von in Umfangsrxchtung getrennten Stellen entlang dem Umfang der Scheibe erstrecken.

18. Verfahren zur Herstellung einer Schnappscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine ebene Metallscheibe seitliche Kräfte ausgeübt werden, um die Scheibe schalenförmig zu verformen und um eine Anzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Wölbungen darin auszubilden, die sich von dem Umfang zu dem Zentrum der Scheibe erstrecken, und daß diese Kräfte derart ausgeübt werden, daß das Metall gedehnt wird und die Wölbungen ohne eine beträchtliche Verringerung des Durchmessers der Scheibe ausgebildet werden.

19. Werkzeug zur Herstellung einer Schnappscheibe, gekennzeichnet durch einen Stempel mit sich in radialer Richtung von einem Zentrum erstreckenden Rippen, welcher Stempel Aussparungen zwischen diesen Rippen aufweist, und durch eine Matrize, deren Stirnfläche eine Anzahl von sich radial zu dem Zentrum erstreckende Arbeitsflächen aufweist, welche Matrize Aussparungen zwischen den Arbeitsoberflächen hat, die so ausgebildet sind, daß sie die Rippen aufnehmen.

20. Werkzeuge nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen zu einer Bezugsebene geneigt

1098U/U67

sind, die senkrecht zu der zentralen Achse des Stempels verläuft, und daß die Arbeitsoberflächen zu der Bezugsebene in der selben Richtung geneigt sind.

21. Werkzeug nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, daß der Neigungswinkel der Rippen relativ zu der Bezugsebene kleiner als der Neigungswinkel der Arbeitsflächen relativ zu dieser Bezugsebene ist.

22. Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich· net, daß die Arbeitsoberflächen dreieckförmig sind und die größte Breite angrenzend an den Umfang der Matrize aufweisen.

23. Werkzeug nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich net, daß die Breite der Arbeitsoberflächen angrenzend an den Umfang der Matrize beträchtlich größer als die Breite der Rippen ist.

1098U/U67