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Die Erfindung betrifft eine Betätigungsanordnung für einen elektrischen Schalter und die Verwendung einer solchen Betätigungsanordnung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen elektrischen Schalter mit einer solchen Betätigungsanordnung.
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Bei magnetischen Auslösesystemen für elektrische Schutzschalter wird eine Einstellbarkeit des magnetischen Auslösers in der Regel durch eine Veränderung des Luftspaltes zwischen Joch und Anker realisiert. Eine solche, aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist in 1 vereinfacht schematisch dargestellt. Ein Drehknopf 112 weist eine Innenkontur als Steuerkurve 117 auf. Über diese Kurve steuert ein zylindrischer Zapfen 122 eines Einstellschiebers den Ankerabstand. Der Zapfen 122 liegt dabei mehr oder weniger zwangsgeführt in der Innenkontur ein. Eine Drehung des Knopfes 112 führt zu einer linearen Verschiebung des Einstellschiebers, die in einer Veränderung des Luftspaltes resultiert. Dabei bestimmt die Steigung der Steuerkurve 117 die Breite des Luftspaltes und damit den jeweils eingestellten Auslösestrom. Aufgrund der üblicherweise verwendeten Form der Steuerkurve 117, definiert durch einen Radius, der vom Drehknopfmittelpunkt 116 ausgehend über Winkelabschnitte immer größer wird („Steigung“ der Kurve) und der gewählten kreiszylindrische Form des Zapfens 122 wird dabei ein auf den Einstellschieber wirkendes Dreh- bzw. Kippmoment erzeugt, dass zu Ungenauigkeiten in der Einstellung des Ankerabstandes führt. Dies liegt in der Abweichung des realen Berührpunktes 123 des Zapfens 122 mit der Steuerkurve 117 von dem theoretischen Berührpunkt 133 begründet. Dieser Versatz 134 wird einerseits verursacht durch ein mögliches Lagerspiel des Zapfens 122. Andererseits ist diese Abweichung konstruktionsbedingt. Denn der tatsächliche Berührpunkt 123 stimmt nur dann mit dem theoretischen Berührpunkt 133 überein, wenn die Steigung der Steuerkurve 117 vergleichsweise flach ist. Je kleiner der Radius zum Mittelpunkt 116 des Drehknopfes 112 ist, um so größer kann der reale Berührpunkt 123 vom theoretischen Berührpunkt 133 abweichen. Dies führt dazu, dass an einem Ende des Einstellbereiches des Drehknopfes 112 keine oder nur geringe Abweichungen der Berührpunkte 123, 133 vorliegen, während an dem anderen Ende des Einstellbereiches starke Abweichungen zu beobachten sind. Diese Ungenauigkeiten können nur teilweise mit Hilfe von Kalibrierverfahren während der Herstellung des elektrischen Schalters kompensiert werden.
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Es ist bekannt, anstelle eines Drehknopfes mit einer innenliegenden Kontur, einen Drehknopf mit einer außenliegenden Kontur zu verwenden. Hierfür wird jedoch ein vergleichsweise großer Einbauraum benötigt.
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Die
DE 34 01 901 A1 betrifft ein ein- oder mehrpoliges in einem geteilten Gehäuse angeordnetes thermisches Überstromrelais mit einem von einem oder mehreren in Phasen liegenden Auslösebimetallen betätigten Auslöseschieber, der kamm- oder leiterartig ausgebildet in einer im Gehäuse hierfür vorgesehenen Führung gleitet, wobei das Höhenspiel des Auslöseschiebers mittels zweier im Abstand zueinander angeordneter Justierelemente einstellbar ist. Die Justierelemente können exzentrisch angeformte Drehstifte sein, die im Gehäuse angeordnet sind.
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In der
DE 35 45 845 C2 wird ein bei Überstrom selbsttätig im Ausschaltsinne ansprechender mehrphasiger Schutzschalter, insbesondere ein 3phasiger Motorschutzschalter, offenbart, der hinsichtlich seiner Ansprechcharakteristik mittels einer Vorrichtung zur Strombereichseinstellung innerhalb eines größeren Spektrums einstellbar und veränderbar ist, wobei ein Stellglied, welches auf einen allen Phasen gemeinsamen Auslösemechanismus einwirkt, in seiner Lage verändert wird. Hierbei setzt sich die Vorrichtung zur Strombereichseinstellung aus einem zylinderartigen Führungsgehäuse und einer darin verrastend einfügbaren, um ihre Längsachse drehbeweglichen kolbenartigen Einstellkulisse zusammen. Das Führungsgehäuse ist an seinem Zylinderboden mit einem vorzugsweise radial verlaufenden Langloch für den in Längsrichtung des Langloches verschieblichen Durchtritt des Stellgliedes versehen und die Einstellkulisse ist an ihrem zum Zylinderboden des Führungsgehäuses gerichteten Ende mit einer spiralartig um ihre Längsachse verlaufende Nut zur Aufnahme und Führung beziehungsweise Verstellung des Stellgliedes ausgestattet.
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In der
DE 35 40 620 A1 wird ein elektrischer Leistungssteuerschalter angegeben, bei dem Kontakte wiederholt während gewisser Intervalle mit Hilfe eines von einem Motor angetriebenen Zeitgebernockens und zweier Steuernocken geschlossen und geöffnet werden. Ein Zeitgebernocken läuft zwischen zwei parallel zueinander und in bestimmtem Abstand voneinander angeordneten Kontaktgliedern hindurch, derart, dass die Kontakte dieser Kontaktglieder geschlossen und geöffnet werden. Bei dieser Anordnung können die Kontakte augenblicklich geöffnet und geschlossen werden, so dass die Erzeugung von Kontaktfunken und damit der Kontaktverschleiß verringert sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Betätigungsanordnung bereitzustellen, bei der über einen großen Einstellbereich des Drehknopfes, unabhängig von dem aktuellen Drehwinkel des Drehknopfes und somit unabhängig von der Steigung der Steuerkurve, der reale Berührpunkt und der theoretische Berührpunkt nicht oder nur noch minimal voneinander abweichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Danach umfasst die Betätigungsanordnung für einen elektrischen Schalter ein um eine Drehachse drehbares Bedienelement, das eine Steuerkurve aufweist, sowie ein mit dem Bedienelement über die Steuerkurve zusammenwirkendes, bei einer Drehung des Bedienelements eine Linearbewegung ausführendes Übertragungselement, und die Betätigungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkurve die Form einer Evolvente hat.
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Mit der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung wird eine Lösung bereitgestellt, bei der über einen großen Einstellbereich des Drehknopfes, unabhängig von dem aktuellen Drehwinkel des Drehknopfes und somit unabhängig von der Steigung der Steuerkurve, der reale Berührpunkt und der theoretische Berührpunkt nicht oder nur noch minimal voneinander abweichen. Von Vorteil ist dabei insbesondere, dass Ungenauigkeiten bei der Einstellung des Ankerabstandes oder dergleichen sicher vermieden werden können. Das Einstellen des Ankerabstandes ist mit anderen Worten besonders wiederholgenau möglich.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Schalter bereitzustellen, der besonders einfach herstellbar ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung gemäß Anspruch 9 bzw. durch einen elektrischen Schalter, insbesondere Schutzschalter, nach Anspruch 10 mit einer erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung. Von Vorteil ist dabei insbesondere, dass bei der Herstellung des Schalters keine aufwendigen Kalibrierverfahren mehr erforderlich sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass die Betätigungsanordnung trotz eines großen Drehwinkel-Einstellbereiches nur einen vergleichsweise geringen Einbauraum benötigt.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung in einem magnetischen oder thermischen Auslösesystem eines elektrischen Schalters, insbesondere Schutzschalters. Dabei dient die Betätigungsanordnung beispielsweise zum Einstellen derjenigen Stromstärke, bei der im Falle eines Kurzschlusses oder einer Überlast das Gerät abgeschaltet wird. Die Betätigungsanordnung kann aber auch zu anderen Zwecken verwendet werden, falls mit Hilfe eines drehbaren Bedienelements über eine Steuerkurve eine Linearbewegung eines Übertragungselements erzeugt werden soll.
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Eine Grundidee der Erfindung ist es, eine Steuerkurve zu verwenden, die die Form einer Evolvente hat. Das Anlageelement bewegt sich somit entlang einer Evolvente. Die Verwendung einer derartigen Evolventenkontur hat zur Folge, dass sich der Berührpunkt des Anlageelements an dem Bedienelement immer an der gleichen Stelle befindet, und zwar unabhängig von dem aktuellen Drehwinkel, d. h. über den gesamten Einstellbereich des Bedienelements. Anders als im Stand der Technik entfernt sich der reale Berührpunkt also nicht in Abhängigkeit von der Stellung des Bedienelements von dem theoretischen Berührpunkt. Dadurch, dass dieses „Wandern“ entfällt, ist eine sehr wiederholgenaue Funktion des Bedienelements möglich.
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Bei dem Bedienelement handelt es sich vorzugsweise um ein Bedienelement mit einem Drehwinkel-Einstellbereich von mehr als 180°. Bei einem Drehwinkel-Einstellbereich von mehr als 180° ist die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Ausführung der Steuerkurve als Evolvente eine konstruktiv besonders elegante Möglichkeit, eine konstante Berührpunktposition zu gewährleisten.
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Ist die Evolvente eine Evolvente eines Kreises, dessen Mittelpunkt durch die Lage der Drehachse des Bedienelements bestimmt ist, so liegt der Berührpunkt von Anlageelement und Steuerkurve nicht, wie üblich, auf der Linie des Drehpunktes des Bedienelements, sondern ist um den Radius des Konstruktionskreises der Evolvente verschoben. Dieser Konstruktionskreis, also die Ausgangskurve der Evolvente, wird nachfolgend auch als Evolventenkreis bezeichnet.
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Der Berührpunkt ist somit zu jedem Zeitpunkt, d. h. bei jeder Stellung des Bedienelements, um genau den Radius des Evolventenkreises verschoben. Durch diesen Versatz ergibt sich ein sehr geringes und nahezu vernachlässigbares Dreh- bzw. Kippmoment des Übertragungselements. Dieser Nachteil wird aber in Kauf genommen, zumal diesem Kippmoment mit einfachen Mitteln entgegengewirkt werden kann, wie weiter unten beschrieben ist. Es überwiegt bei weitem der große Vorteil der mit der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung erreichbaren Konstanz der Lage des Berührpunktes.
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Sowohl mit Blick auf die Herstellung, als auch mit Blick auf die Verwendung der Betätigungsanordnung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Steuerkurve als Außenkontur ausgeführt ist. Erfindungsgemäß wird die Steuerkurve von einer konvexen Außenkontur eines Steuerkurvenelements gebildet, wobei das Steuerkurvenelement einen Teil des Bedienelements bildet.
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Erfindungsgemäß ist das Steuerkurvenelement ein im Inneren des Bedienelements im wesentlichen frei stehendes Konstruktionsteil. Im wesentlichen frei stehend bedeutet dabei, dass das Steuerkurvenelement mit den übrigen Konstruktionsteilen des Bedienelements, erfindungsgemäß mit dem Gehäuse des Bedienelements, verbunden ist, erfindungsgemäß über eine Anbindung an den Gehäusezylinder und über Versteifungsstreben. Das Bedienelement ist jedoch kein massives Bauelement mehr, wie dies in aller Regel bei der Verwendung einer Innenkontur der Fall ist. Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung des Bedienelements. Es verringert auch das Gesamtgewicht der Betätigungsanordnung. Da weniger Material verwendet wird, fallen auch die Herstellungskosten.
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Aus praktischen Erwägungen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Steuerkurvenelement im Inneren eines Endabschnittes des Bedienelements anzuordnen, da die Steuerkurve in diesem Fall von dem Übertragungselement in der Regel leichter erreichbar ist, als bei einer beispielsweise zentralen, mittigen Anordnung im Inneren des Bedienelements. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn dieser Endabschnitt als ringförmiges Verbindungselement ausgeführt ist zur Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit einer entsprechend ausgebildeten, beispielsweise domförmig ausgeformten Aufnahmeöffnung eines Trägerteils. Anders ausgedrückt ist dasjenige Ende des Bedienelements, dass das Steuerkurvenelement aufweist, als eine Art äußerer Ring ausgebildet für eine kippsichere Fixierung des Bedienelements in bzw. an einer Grundplatte oder dergleichen. Dadurch kann das sich konstruktionsbedingt durch den Versatz des Berührpunktes ergebende sehr geringe Dreh- bzw. Kippmoment besonders sicher aufgefangen und neutralisiert werden.
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Das Zusammenwirken des Bedienelements mit dem Übertragungselement über die Steuerkurve erfolgt vorteilhafterweise derart, dass das Übertragungselement ein an der Steuerkurve anliegendes Anlageelement aufweist. Unabhängig von seiner geometrischen Form wird dieses Anlageelement nachfolgend auch als Zapfen bezeichnet. Der Zapfen ist dabei vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass er seitlich aus dem Übertragungselement herausragt.
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Ist die Betätigungsanordnung derart ausgeführt, dass das Anlageelement kraftbeaufschlagt an der Steuerkurve anliegt, ist eine Steuerung des Zapfens durch die Kontur jederzeit gewährleistet, da der Zapfen stets die Steuerkurve berührt. Die Art und Weise der Kraftbeaufschlagung ist dabei unerheblich. Üblicherweise ist das Übertragungselement, das wegen seiner Linearverschiebung auch kurz als Schieber bezeichnet werden kann, durch ein oder mehrere Federelemente so beaufschlagt, dass der Zapfen stets mit einer mehr oder weniger konstanten Anlagekraft an der Steuerkurve anliegt.
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Das Übertragungselement ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die Bewegung des Bedienelements direkt oder indirekt auf ein mit dem Übertragungselement zusammenwirkendes Zielelement zu übertragen.
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Mit den bisher beschriebenen Merkmalen der Betätigungsanordnung werden vorrangig Probleme gelöst, die sich bei aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen aus der konstruktionsbedingten Abweichung von realem und theoretischem Berührpunkt ergeben. Abweichungen, die sich beispielsweise aus dem Lagerspiel des Zapfensspiels ergeben, wurden bisher nicht betrachtet. Mit der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise kein zylindrischer Zapfen verwendet, wie aus dem Stand der Technik bekannt, was eine punkt- bzw. linienförmige Auflage zur Folge hat, wobei die genaue Position des Berührpunktes in Abhängigkeit von den Maßtoleranzen der verwendeten Bauteile mehr oder weniger schwanken kann. Statt dessen weist das Anlageelement in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine flächige Anlage auf, mit der es an der Steuerkurve anliegt. Dabei sind Zapfen und Steuerkurve vorteilhafterweise derart zueinander angeordnet, dass im Berührpunkt die Anlage- bzw. Auflagefläche genau senkrecht zu der den Berührpunkt durchlaufenden Kreistangente des Evolventenkreises liegt. Es bleibt mit anderen Worten zwar bei der punkt- bzw. linienförmigen Auflage des Zapfens an der Steuerkurve. Aufgrund der vorzugsweise ebenen Anlagefläche ist jedoch auf besonders einfache Art und Weise ein wirkungsvoller Ausgleich von Toleranzabweichungen und Lagerspiel möglich. Anders ausgedrückt ändert sich der Berührpunkt selbst bei einer geringfügigen, beispielsweise durch ein Lagerspiel bedingten Lageänderung des Zapfens nicht.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 einen Drehknopf mit einer innen liegenden Kontur nach dem Stand der Technik (Schnittdarstellung),
- 2 ein Drehknopf in einer perspektivischen Ansicht von oben in einer Trägerplatte,
- 3 ein Drehknopf in einer perspektivischen Ansicht von unten,
- 4 eine Betätigungsanordnung mit Drehknopf und Einstellschieber (Schnittdarstellung),
- 5 einen Einstellschieber in einer Seitenansicht,
- 6 eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Schalters mit magnetischem und thermischem Auslösesystem in Explosionsdarstellung,
- 7 der Schalter aus 6 im zusammengebauten Zustand.
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Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung ist in den 2 bis 5 dargestellt. Die Betätigungsanordnung 20 für einen elektrischen Schalter 15 umfasst ein um eine Drehachse 16 drehbares Bedienelement in Gestalt eines Dreh- oder Einstellknopfes 12 eines magnetischen Auslösesystems. Der Nenn-Drehwinkel des Knopfes 12 beträgt dabei beispielsweise 240°. Der Drehknopf 12 weist eine Steuerkurve 17 auf sowie ein mit dem Drehknopf 12 über die Steuerkurve 17 zusammenwirkendes, bei einer Drehung des Drehknopfes 12 in Drehrichtung 18 eine Linearbewegung in Verschieberichtung 19 ausführendes Übertragungselement in Gestalt eines Einstellschiebers 2, mit welchem eine Bewegung des Drehknopfes 12 auf ein mit dem Einstellschieber 2 zusammenwirkendes Zielelement, beispielsweise einen magnetischen Auslöseschieber, übertragbar ist. Dabei beschreibt die Steuerkurve 17 eine Evolvente eines Kreises 21, dessen Mittelpunkt durch die Lage der Drehachse 16 des Drehknopfes 12 bestimmt ist. Der sich aus der Steigung der Steuerkurve 17 ergebende maximal mögliche Drehwinkel des Drehknopfes 12 beträgt im dargestellten Beispiel 285°
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Das Zusammenwirken des Drehknopfes 12 mit dem Einstellschieber 2 über die Steuerkurve 17 erfolgt dabei derart, dass der Einstellschieber 2 ein an der Steuerkurve 17 anliegendes Anlageelement in Gestalt eines Zapfens 22 aufweist, der seitlich aus dem Einstellschieber 2 herausragt. Der Berührpunkt 23 des Zapfens 22 an der Steuerkurve 17 ist dabei um den Radius des Evolventenkreises 21 verschoben und befindet sich unabhängig von dem aktuellen Drehwinkel des Drehknopfes 12 stets an der gleichen Stelle.
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Die Steuerkurve 17 wird durch die konvexe Außenkontur eines Steuerkurvenelements 24 gebildet, wobei das Steuerkurvenelement 24 einen Teil des Drehknopfes 12 bildet und als ein im Inneren des Drehknopfes 12 im wesentlichen frei stehendes Konstruktionsteil ausgeführt ist. Das Steuerkurvenelement 24 ist mit dem im wesentlichen als Hohlzylinder ausgeführten Gehäuse 25 des Drehknopfes 12 lediglich über eine Anbindung an den Gehäusezylinder 25 und über Versteifungsstreben 26 verbunden.
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Das Steuerkurvenelement 24 ist im Inneren eines Endabschnittes 27 des Drehknopfgehäuses 25 angeordnet. Dieser Endabschnitt 27 ist als eine Art ringförmiges Verbindungselement ausgeführt und dient zur Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere Steckverbindung, mit einem sich aus einer Grundplatte 4 der Betätigungsanordnung 20 erstreckenden, entsprechend dimensionierten Aufnahmedom 28. Zur Begrenzung des Verdrehbereiches des Drehknopfes 12 ist an dem Aufnahmedom 28 ein Gegenanschlag 29 für ein an dem Drehknopf 12 angeformtes Anschlagselement 30 vorgesehen. Der Endabschnitt 27 ist besonders breit und der Dom 28 besonders hoch ausgeführt, so dass das Gehäuse 25 des Drehknopfes 12 vergleichsweise tief in den Aufnahmedom 28 eingesteckt werden kann. Im Ergebnis wird das geringe Dreh- bzw. Kippmoment des Einstellschiebers 2, das sich aus dem (konstanten) Versatz des Berührpunktes 23 ergibt, besonders sicher neutralisiert.
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Ist in einer alternativen Ausführung das Steuerkurvenelement 24, anders als in den 3 und 4 dargestellt, nicht mit dem Endabschnitt 27 des Gehäusezylinders 25 verbunden, lässt sich ein maximal möglicher Drehwinkel von 360° verwirklichen.
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Um stets eine sichere Steuerung des Zapfens 22 durch die Steuerkurve 17 sicherzustellen, liegt der Zapfen 22 kraftbeaufschlagt an der Steuerkurve 17 an. Hierfür ist der Einstellschieber 2 mit einem oder mehreren Federelementen (nicht abgebildet) beaufschlagt.
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Zum Ausgleich von Toleranzabweichungen und Lagerspiel weist der Zapfen 22 eine ebene Anlage- bzw. Auflagefläche 31 auf, mit der er an der Steuerkurve 17 anliegt. Im Berührpunkt 23 liegt die Anlagefläche 31 dabei genau senkrecht zu der den Berührpunkt 23 durchlaufenden Kreistangente 32 des Evolventenkreises 21.
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Eine mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung 20 wird nachfolgend mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben. Dabei kommt die Betätigungsanordnung 20 sowohl in einem magnetischen Auslösesystem, als auch in einem thermischen Auslösesystem zum Einsatz.
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Nachdem eine Strombahnbaugruppe mit einem magnetischen Auslösesystem und einem thermischen Auslösesystem in ein Gehäuseunterteil 1 montiert wurde, wird der als Zielelement dienende magnetische Auslöseschieber 3 in den magnetischen Einstellschieber 2, der den Zapfen 22 mit Auflagefläche 31 führt, in die Lagerstelle des Gehäuseunterteils eingelegt. Anschließend wird der als Zielelement dienende thermische Auslöseschieber 5 seitlich in die Grundplatte 4 eingeschoben. Der Umlenker 7 wird auf den thermischen Einstellschieber 6 gesetzt und an der vorgesehene Stelle der Grundplatte 4 arretiert. Nachdem die Klinke 9 und der Kraftspeicherhebel 8 auf die vorgesehenen Pins der Grundplatte 4 aufgefädelt sind, werden die zwei Federn 10, 11 an Kraftspeicherhebel 8 und Klinke 9 montiert. Bevor schließlich der Deckel 14 aufgeschnappt wird, werden der magnetische Einstellknopf 12 und der thermische Einstellknopf 13 auf die vorgesehenen Halterungen montiert. In einer alternativen Ausgestaltung ist es möglich, die Einstellknöpfe 12, 13 nicht in der Grundplatte 4, sondern in dem Deckel 14 zu fixieren, zu welchem Zweck der Deckel 14 über entsprechende Aufnahmeöffnungen verfügen würde. In diesem Fall wäre auch die Anordnung der ringförmigen Verbindungselemente an den Einstellknöpfen 12, 13 entsprechend angepasst.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
