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Die Erfindung betrifft Positionierungsvorrichtungen gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 6 sowie eine Drehmoment-Dämpfungsvorrichtung gemäß Anspruch 10.
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Viele Anwendungen machen eine kontrollierte Bewegung zwischen zwei Elementen erforderlich. Scharniere beispielsweise werden oft zum Bereitstellen einer beweglichen Verbindung zwischen unterschiedlichen Teilen eines Geräts verwendet. Diese Bewegung erfordert oftmals wiederholte Zyklen einer ruhigen und im Wesentlichen wiederholbaren Kraft, die durch den Benutzer der Vorrichtung ausgeübt wird, um ein Element relativ zu einem anderen Element zu positionieren. Das Ergebnis dieser Bewegung ist eine Positionierung der Vorrichtung in einer Weise, die einer weiteren Bewegung gegenüber störenden Umgebungskräften, wie sie z. B. durch die Schwerkraft oder Vibration auferlegt werden, widersteht.
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Ein derartiges Beispiel eines derartigen Scharniermechanismus besteht in Verbindung mit einem Laptop-Computer, bei dem ein Bildschirm relativ zu einer Basis scharniermäßig befestigt ist. Weitere Anwendungen können eine relative lineare Bewegung zwischen zwei Elementen umfassen. Es könnte beispielsweise erwünscht sein, die Auf- und Abbewegung einer Kopfstütze relativ zu einem Sitz zu steuern.
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Im Gegensatz zu einfacheren Lagerungsanwendungen, deren Ziel darin besteht, eine Abnutzung durch Minimierung von Reibung zu minimieren, müssen Kontrollierte-Bewegungs- und Positionierungsvorrichtungen erhebliche und im Wesentlichen wiederhol- bare Kräfte oder Drehmomente durch kontrollierte Reibung, oft über viele tausend Arbeitszyklen hinweg, erzeugen. Ferner führt das Bedürfnis, die Größe dieser Elemente relativ zu diesen Kräften und Drehmomenten zu minimieren, zu der Erzeugung innerer Belastungen, die Hunderte von Malen größer sind als diejenigen, denen typische Lagerungsanwendungen ausgesetzt sind.
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Dieses Bedürfnis, unüblich großen Belastungen standzuhalten, hat die einsetzbare Materialauswahl für diese Anwendungen eingeschränkt. Typische Lagerungsmaterialien mit geringerer Festigkeit sind nicht nur bei derartigen Belastungsbedingungen aufgrund mangelnder veröffentlichter Verhaltensdaten unberechenbar, sondern sind außerdem angesichts der vielartigen Fehlerformen, die bei diesen Bedingungen auftreten können, nicht geeignet.
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Aus diesen Gründen verwendet die bevorzugte Technologie, die für derartige Vorrichtungen eingesetzt wird, präzisionsgefertigte gehärtete Stahloberflächen, die mit Fett geschmiert sind. Diese Technologie führt jedoch zu höheren Kosten als erwünscht, einer Herstellungskomplexität und Komplikationen, die eine Fettauftragung begleiten.
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Während technische Kunststoffe in Lagerungsanwendungen verbreitet Einsatz finden, haben sie in derartigen Kontrollierte-Bewegungs- und Positionierungsanwendungen nur eingeschränkt Verwendung gefunden. Während der Bedarf nach Fett durch ihre selbstschmierenden Eigenschaften beseitigt wird, können diese technischen Kunststoffe typischerweise hohen inneren Belastungen nicht ohne Spannungsnachlass, Kriechen, Abnutzung, die zu einem Drehmomentverlust führt, oder Drehmomentanstiegen, die zu einem katastrophalen Ausfall des Mechanismus führen, widerstehen, was diese für Anwendungen ungeeignet macht, die sowohl eine kleine Größe als auch große wiederholbare Kräfte und Drehmomente erforderlich machen. Einige technische Kunststoffe, wie z. B. UHMW-PE, haben diesen Größennachteil teilweise überwunden, erfordern jedoch teurere Herstellungsvorgänge als geformte oder extrudierte Kunststoffe, um eine fertige funktionelle Form zu erreichen.
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Die
EP 1 999 327 B1 beschreibt einen Scherkraftmechanismus aus einem vernetzten Thermoplasten, der eine Buchse aufweist, die immer belastet ist. Die Buchse nimmt mit einem weiteren Element Eingriff, um dieses mit einem vorbestimmten Betrag zu belasten, so dass sich im Wesentlichen wiederholbare Scherkräfte zwischen der Buchse und dem weiteren Element einstellen.
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Die
US 2009/0 038 119 A1 beschreibt ein Reibungslager, welches ein Kunststoffreibungsbauglied umfasst, das mit einer Metallwelle Eingriff nimmt. Das Kunststoffreibungsbauglied umfasst anfänglich eine Öffnung mit einem Durchmesser, der kleiner ist als die Metallwelle, so dass das Kunststoffreibungsbauglied beim Einfügen der Metallwelle verformt wird.
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Der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Positionierungsvorrichtung und eine verbesserte Drehmoment-Dämpfungsvorrichtung zu schaffen, bei denen Drehmomentvariationen des Scherkraftmechanismus aufgrund von Temperaturänderungen, beispielsweise beim Lager der Vorrichtungen, reduziert oder vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch Positionierungsvorrichtungen gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 6 sowie durch eine Drehmoment-Dämpfungsvorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Die beiliegenden Zeichnungen sind vorgesehen, um ein tieferes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen, und sind in dieser Beschreibung beinhaltet und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres zu erkennen sein, da diese durch die Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1A und
1B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Kompressions-Scherkraft-Mechanismus dar, der z. B. aus der
EP 1 999 327 B1 bekannt ist.
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1C ist ein Graph, der ein Drehmoment über eine Anzahl von Zyklen für den Kompressions-Scherkraft-Mechanismus aus den 1A und 1B darstellt.
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2A und 2B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Scherkraft-Mechanismus mit differentieller Druckspannung in einer Drehmomentscharnieranwendung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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2C ist ein Graph, der ein Drehmoment in einem Scherkraft-Mechanismus als eine Funktion der Geschwindigkeit darstellt.
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3A und 3B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Scherkraft-Mechanismus mit differentieller Druckspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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4A und 4B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Scherkraft-Mechanismus mit differentieller Druckspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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5A und 5B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Scherkraft-Mechanismus mit differentieller Druckspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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6A und 6B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Scherkraft-Mechanismus mit differentieller Druckspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden, und in denen darstellend spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, bei denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird eine Richtungsterminologie, wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorauseilend”, „nacheilend” usw., mit Bezug auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Darstellungszwecken eingesetzt und ist in keinster Weise einschränkend.
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Die 1A und 1B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 gemäß einem Beispiel dar. Der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 umfasst einen komprimierten (oder Kompressions-)Einsatz 12, eine Welle 14 und ein Gehäuse 18. Bei einem Beispiel umfasst die Welle 14 außerdem Rändelungen 16. Bei einem Beispiel ist eine Buchse als komprimierter Einsatz 12 fest an dem Gehäuse 18 fixiert, wie z. B. an dasselbe pressgepasst. Bei einem Beispiel sind der komprimierte Einsatz 12 und die Welle 14 des Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 ausgebildet, um sich relativ zueinander zu drehen, um ein nahezu konstantes Drehmoment zu erzeugen.
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Bei einem Beispiel ist der komprimierte Einsatz 12 aus einem vernetzten thermoplastischen Material, wie z. B. PEX, hergestellt und zwischen der Welle 14 und dem Gehäuse 18 eingesetzt. Relativ zu dem vernetzten Thermoplast des komprimierten Einsatzes 12 sind die Welle 14 und das Gehäuse 18 von ausreichender Festigkeit, um eine Spannung (ε), die auf den komprimierten Einsatz 12 ausgeübt wird, aufrechtzuerhalten. Bei einem Beispiel sind die Welle 14 und das Gehäuse 18 Weichstahl und bei einem anderen sind sie gehärteter Stahl. Bei einem Beispiel ist der äußere Durchmesser der Welle 14 größer als der innere Durchmesser des komprimierten Einsatzes 12 und/oder der äußere Durchmesser des komprimierten Einsatzes 12 ist größer als der innere Durchmesser des Gehäuses 18, sodass ein Einsetzen des komprimierten Einsatzes 12 zwischen die Welle 14 und das Gehäuse 18 den komprimierten Einsatz 12 ablenkt oder komprimiert, wodurch der komprimierte Einsatz 12 mit einer relativ gleichmäßigen Spannung (ε) belastet wird.
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Bei einem Beispiel kann der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 verwendet werden, um ein relativ konstantes Drehmoment zu erzeugen. Die Welle 14 kann innerhalb des komprimierten Einsatzes 12 gedreht werden, während der komprimierte Einsatz 12 stabil gehalten wird. Beispielsweise kann ein Scharnierelement mit den Rändelungen 16 der Welle 14 gekoppelt sein und mit der Welle 14 relativ zu dem komprimierten Einsatz 12 gedreht werden. Die relativ gleichmäßige Spannung (ε), die durch die Welle 14 und das Gehäuse 18 auf den komprimierten Einsatz 12 ausgeübt wird, in Kombination mit der relativen Drehung des komprimierten Einsatzes 12 und der Welle 14, erzeugt ein relativ gleichmäßiges Drehmoment.
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Dieses relativ gleichmäßige Drehmoment des Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 kann jedoch einer Temperaturabhängigkeit unterworfen sein. Wenn der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 großen Temperaturveränderungen unterworfen ist, wie z. B. denjenigen, die in vielen praktischen Lager- oder Transportbedingungen anzutreffen sind, auf die ein derartiger Mechanismus trifft, kann eine wesentliche Drehmomentschwankung induziert werden, wenn ein Betrieb der Vorrichtung fortgesetzt wird. Während der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 während der Verwendung eine Drehmomentveränderlichkeit mit einer Temperaturschwankung erfährt, erfährt er eine noch größere Drehmomentveränderlichkeit, wenn er während der Lagerung einer Temperaturschwankung ausgesetzt wird. Folglich kann eine Vorrichtung, die mit dem Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 ausgebildet ist, während einer bestimmten Anwendung ein bestimmtes Drehmomentprofil besitzen und dann, nachdem er bei einer wesentlichen Temperaturschwankung gelagert wurde, bei dieser gleichen Anwendung ein vollständig unterschiedliches Drehmomentprofil aufweisen.
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1C ist ein Graph, der die Temperaturabhängigkeit des Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 darstellt. 1C stellt ein Drehmoment, in kg-cm, über Tausende von Zyklen der Welle 14, die sich relativ zu dem komprimierten Einsatz 12 dreht, dar. Es ist zu sehen, dass zwischen 15 und 20 kg-cm für tausende von Zyklen bei Zimmertemperatur ein relativ konstantes Drehmoment zu beobachten ist.
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Wenn der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 Lagertemperaturen ausgesetzt wird, die wesentlich höher oder niedriger sind als Zimmertemperatur, sind jedoch wesentliche Veränderungen des Drehmoments zu beobachten. An einem Punkt „a” auf dem Graphen aus 1C wurde der zyklische Betrieb angehalten und der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 30 Minuten lang ca. 66°C ausgesetzt. Als die Zyklen fortgesetzt wurden, fiel das beobachtete Drehmoment um mehr als 50%. An einem Punkt „b” auf dem Graphen aus 1C wurde der zyklische Betrieb wieder angehalten und der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 30 Minuten lang ca. –18°C ausgesetzt. Als die Zyklen fortgesetzt wurden, stieg das beobachtete Drehmoment dramatisch. Schließlich wurde an einem Punkt „c” auf dem Graphen aus 1C der zyklische Betrieb angehalten und der Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 wieder 30 Minuten lang ca. 66°C ausgesetzt. Als die Zyklen fortgesetzt wurden, fiel das beobachtete Drehmoment wieder dramatisch.
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Die Wirkung von Temperaturen auf den Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 ist wiederholbar und ist teilweise ein Ergebnis sich verändernder innerer Belastungen innerhalb des vernetzten thermoplastischen Materials des komprimierten Einsatzes 12, die durch eine Temperaturveränderung mit dem vernetzten thermoplastischen Material, während sich dieses in einem belasteten Zustand befindet, bewirkt werden. So verändert sich, wenn ein Scherkraft-Mechanismus 10 in einem Produkt ausgebildet ist, das sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wie z. B. in einem Kofferraum eines Autos, die Scherkraft, und so das Verhalten des Produkts, wenn dieses Produkt als nächstes bei Normaltemperatur verwendet wird, wesentlich. Außerdem wird, wenn ein Produkt, das mit dem Scherkraft-Mechanismus 10 ausgebildet ist, in einem Laderaum eines Flugzeugs versandt wird und sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, dieses Produkt, wenn es danach verwendet wird, ein unterschiedliches Drehmomentprofil zeigen als vor der Aussetzung gegenüber einer niedrigen Temperatur.
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Die 2A und 2B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht des Scherkraft-Mechanismus 20 mit differentieller Druckspannung (Stauchung) gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Der Scherkraft-Mechanismus 20 umfasst eine Buchse 22, eine Welle 24 und ein Gehäuse 28. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Scherkraft-Mechanismus 20 als ein Drehmomentscharnier ausgebildet. So ist eine Scharnierbefestigung 29 vorgesehen und die Welle 24 umfasst außerdem Rändelungen 26 zur Ineingriffnahme mit einem Aufnahmeloch in der Scharnierbefestigung 29. Außerdem ist das Gehäuse 28 zum Befestigen, wie z. B. mit einem flachen Abschnitt mit Löchern zum Anbringen an einer Oberfläche, ausgebildet. Wenn sich die Scharnierbefestigung 29 relativ zu der Befestigung dreht, an der das Gehäuse 28 angebracht ist, wird ein relativ gleichmäßiges Drehmoment in dem Scherkraft-Mechanismus 20 erzeugt. Ein derartiges Drehmomentscharnier könnte beispielsweise in einem Computer-Laptop eingesetzt werden, um einen Bildschirm scharniermäßig relativ zu einer Basis zu befestigen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Scherkraft-Mechanismus 20 mit einer zyklischen differentiellen Druckspannung ausgebildet. So ist dieser nicht der gleichen Temperaturabhängigkeit unterworfen, die in dem Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 zu beobachten ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die zyklische differentielle Druckspannung durch Verhindern einer wesentlichen Interferenz zwischen der Buchse 22 und der Welle 24 in Ruhe und ein Induzieren einer Druckspannung, während sich Komponenten relativ zueinander bewegen, über viele Tausende von Zyklen erzielt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Buchse 22 aus einem vernetzten thermoplastischen Material, wie z. B. PEX-A, PEX-B oder PEX-C, hergestellt. Die Buchse 22 ist fest innerhalb des Gehäuses 28 fixiert und ist bei einem Ausführungsbeispiel derart in das Gehäuse 28 pressgepasst, dass es keine relative Drehung zwischen denselben gibt. Die Welle 24 ist in die Buchse 22 eingesetzt und bei einem Ausführungsbeispiel ist die Welle 24 mit einem ersten und einem zweiten Vorsprung 24a und 24b ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Buchse 22 Taschen oder Schlitze zum Unterbringen und Aufnehmen des ersten und des zweiten Vorsprungs 24a und 24b auf, um so eine Interferenz zwischen der Buchse 22 und der Welle 24 zu minimieren, wenn keine relative Drehung zwischen denselben vorliegt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich die Buchse 22, sobald die Welle 24 und der erste und der zweite Vorsprung 24a und 24b in die Buchse 22 eingesetzt sind, entspannen und eine Druckspannung, die zu Beginn in dem Bereich unter dem ersten und dem zweiten Vorsprung 24a und 24b auf die Buchse 22 ausgeübt wird, wird größtenteils zerstreut.
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Bei einem Ausführungsbeispiel liegt eine geringe oder keine Interferenz zwischen der Buchse 22 und dem Gehäuse 28 vor und eine geringe oder keine Interferenz zwischen der Buchse 22 und der Welle 24 vor, während keine relative Bewegung zwischen der Buchse 22, der Welle 24 und dem Gehäuse 28 vorliegt. So gibt es, während der Scherkraft-Mechanismus 20 in Ruhe ist, d. h. keine relative Drehung zwischen der Welle 24 und der Buchse 22, eine geringe oder keine Druckspannung (ε), die auf die Buchse 22 ausgeübt wird. Wenn der Scherkraft-Mechanismus 20 jedoch aktiv ist, d. h. es gibt eine relative Drehung zwischen der Welle 24 und der Buchse 22, wird eine wesentliche Druckspannung (ε) während dieser relativen Drehung auf die Buchse 22 ausgeübt.
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Wenn die Welle 24 gedreht wird und so der erste und der zweite Vorsprung 24a und 24b gedreht werden, bewegen sich der erste und der zweite Vorsprung 24a und 24b aus den Schlitzen, die dieselben unterbringen, in der Buchse 22 heraus und beginnen, sich in benachbarte Abschnitte der Buchse 22 zu treiben. Dies verschiebt die Buchse 22 in denjenigen Abschnitten benachbart zu dem ersten und dem zweiten Vorsprung 24a und 24b, was eine Druckspannung (ε) auf die Buchse 22 an diesen Abschnitten bewirkt. So verändert sich die Druckspannung (ε) auf die Buchse 22 an diesen Abschnitten von einer geringen oder keiner Druckspannung (ε) zu einer erheblichen Druckspannung (ε), wenn sich die Welle 24 und die Buchse 22 von keiner relativen Drehung zu einer relativen Drehung verändern. Bei einem Ausführungsbeispiel ist diese differentielle Druckspannung (ε) größer als 3%, d. h. der erste und der zweite Vorsprung 24a und 24b bewirken zumindest 3% mehr Druckspannung (ε) auf die Buchse 22, wenn eine relative Drehung zwischen der Welle 24 und der Buchse 22 vorliegt, als diese bewirken, wenn keine Drehung zwischen der Welle 24 und der Buchse 22 vorliegt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die differentielle Druckspannung (ε) größer als 6%.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine anfängliche Druckspannung zwischen der Buchse 22 und dem kreisförmigen Teil der Welle 24 (d. h. dem Bereich ohne Vorsprünge 24a und 24b) bei Ruhe von bis zu einem Drittel der Druckspannung, die durch eine Bewegung des ersten und des zweiten Vorsprungs 24a und 24b auf die Buchse 22 ausgeübt wird, vorliegen, ohne die bereits beschriebene Temperatur-Lager/Drehmoment-Abhängigkeit zu erzeugen. Für den Fall, dass ein Zusammenbau der Vorrichtung, oder eine bestimmte andere Bedingung, In-Ruhe-Druckspannungen zwischen der Buchse 22 und dem kreisförmigen Teil der Welle 24 erzeugt, die ausreichend sind, um eine Temperatur/Drehmoment-Abhängigkeit einzuführen, kann die Vorrichtung erwärmt werden, um die In-Ruhe-Druckspannung in der Buchse 22 in eine Nahe-Null-Bedingung zu bringen. Bei einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines vernetzten PEX-Thermoplasts kann diese Temperatur von ca. 66°C bis ca. 135°C variieren. So liegt nach der Wärmebehandlung in Ruhe eine geringe oder keine Druckspannung (ε), die auf die Buchse 22 ausgeübt wird, vor.
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Temperaturveränderungen haben bei einem Ausführungsbeispiel eine geringe Wirkung auf den Scherkraft-Mechanismus 20. Da der Scherkraft-Mechanismus 20 mit einer minimalen Druckspannung in Ruhe ausgebildet ist, gibt es geringe sich verändernde innere Belastungen innerhalb des vernetzten thermoplastischen Materials, die durch eine Temperaturveränderung in dem vernetzten thermoplastischen Material bewirkt werden. So kann ein Scharnier oder ein ähnliches Produkt, das mit dem Scherkraft-Mechanismus 20 ausgebildet ist, relativ großen Temperaturschwankungen in Ruhe unterzogen werden und das Scharnier oder Produkt wird dennoch bei Verwendung ein konsistentes Drehmoment erzeugen.
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Ferner ist der Scherkraft-Mechanismus 20 zyklisch, d. h. er erzeugt über Tausende von Zyklen einer Drehung zwischen der Welle 24 und der Buchse 22 eine wiederholbare Scherkraft. Diese wiederholbare Scherkraft ist relativ stabil, selbst über erhebliche Temperaturveränderungen hinweg, sodass, selbst wenn der Scherkraft-Mechanismus 20 als ein Scharnier ausgebildet ist, das wesentlichen Temperaturveränderungen unterzogen wird, das Scharnier sich dennoch gut verhält, was eine konsistente und wiederholbare Scherkraft ergibt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Welle 24 und das Gehäuse 28 von ausreichender Festigkeit, um während einer relativen Drehung eine Druckspannung (ε) auf die Buchse 22 auszuüben. Bei einem Beispiel sind die Welle 24 und das Gehäuse 28 Weichstahl und bei einem anderen sind sie gehärteter Stahl.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann, wenn ein vernetztes thermoplastisches Material für die Buchse 22 verwendet wird, dieses bis zu etwa 6% Druckspannung (ε) elastisch bleiben, was weit über die elastische Grenze der meisten Kunststoffe hinaus geht. „Elastisch”, wie es hier verwendet wird, bedeutet, dass das Material in seine ursprüngliche Dimension zurückkehrt, wenn es entlastet oder entspannt wird, beispielsweise wenn sich der erste und der zweite Vorsprung 24a und 24b von Abschnitten der Buchse 22 weg bewegen. Ferner bleibt bei einigen Ausführungsbeispielen das vernetzte thermoplastische Material für die Erzeugung eines wiederholbaren Scherens bei einer Druckspannung (ε) bis zu 15% und darüber hinaus brauchbar. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Fähigkeit, wiederholt zyklisch durchzulaufen und sich von derartig hohen Druckspannungsraten ohne katastrophalen Ausfall zu erholen, durch (1) die Vernetzung von Molekülen, die zwischen den Molekülen kovalente Bindungen bilden, und (2) den relativ niedrigen Modul (Steifigkeit) von 75.000 bis 100.000 psi (5171 bis 6895 Bar) erzielt. Ein Ausbilden der Buchse 22 mit PEX-A, PEX-B und PEX-C kann diese Bedingungen und Attribute erzielen und weitere Ausführungsbeispiele könnten vernetzte Thermoplasten mit Moduli von bis zu 200.000 psi verwenden.
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Obwohl ein Typ von Thermoplast, der gewisse Ansätze für ein Widerstehen einer erheblichen Druckspannung (ε) gezeigt hat, in Thermoplasten mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW; UHMW = ultra high molecular weight) ist, hat UHMW seine Grenzen. Ein UHMW-Thermoplast ist allgemein als ein Thermoplast mit einem Molekulargewicht von 3.100.000 oder mehr definiert. Diese UHMW-Materialien sind für viele Anwendungen nicht praktikabel. Zusätzlich dazu, dass sie ziemlich teuer sind, können diese UHMW-Materialien nicht ohne weiteres spritzgegossen oder auch ohne weiteres extrudiert werden.
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UHMW-Materialien besitzen einen Schmelzindex von Null und können so nicht ohne weiteres spritzgegossen werden. Ferner stumpft regulärer Werkzeugstahl an UHMW-Materialien leicht ab. Stumpfe Werkzeuge überhitzen dann die Oberfläche, was innere Belastungen und möglicherweise ein Verwerfen oder eine Verzerrung bewirkt. UHMW-PE wird sehr häufig in Masseformen gebildet und dann maschinell bearbeitet. Während das Massematerial etwas teurer ist als andere technische Kunststoffe, erhöht der Bedarf nach maschineller Bearbeitung desselben den Kostennachteil weiter. All diese Einschränkungen verkomplizieren ein Herstellen und Bilden von UHMW-Materialien in vielen praktischen Anwendungen oder verhindern sogar deren Verwendung in vielen anderen Anwendungen.
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Wenn die Buchse 22 ein vernetztes thermoplastisches Material ist, kann es jedoch ohne weiteres in eine erwünschte Form gebildet werden, beispielsweise durch Spritzgießen oder Extrudieren eines Thermoplasts in die erwünschte Form. Der Thermoplast kann während oder nach der Bildung vernetzt werden, um das vernetzte thermoplastische Material und seine zugeordneten Eigenschaften zu erzeugen. Sobald die Buchse 22 mit dem vernetzten thermoplastischen Material gebildet ist, besitzt sie die Eigenschaften, die benötigt werden, um einer relativ gleichmäßigen und stabilen Belastung (σ) bei einer sehr hohen Druckspannung (ε) standzuhalten, ohne eine Verformung des vernetzten Thermoplasts über dessen Elastizität hinaus zu bewirken. Bei einem Beispiel ist die Buchse 22 mit einem vernetzten thermoplastischen Material gebildet und wird während der Drehung mit einer Druckspannung (ε) deutlich über 3% hinaus belastet, sodass ein relativ gleichmäßiges Drehmoment bei einer relativen Drehung der Buchse 22 und der Welle 24 erzeugt wird.
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Die Menge an Druckspannung, die durch die Vorsprünge 24a und 24b in die Buchse 22 induziert wird, wird durch die Gesamthöhe der Vorsprünge relativ zu der Gesamtwanddicke der Buchse 22 beeinflusst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Buchse 22 beispielsweise mit einem nominellen äußeren Durchmesser von 1,27 cm und einem nominellen Innendurchmesser von 0,889 cm für eine nominelle Gesamtwanddicke von 0,1905 cm ausgebildet. Wenn der erste und der zweite Vorsprung 24a und 24b mit einer nominellen Höhe von 0,0254 cm ausgebildet sind, wird die Buchse 22 während einer Drehung mit etwa 13% belastet (oder 0,0254 cm geteilt durch 0,1905 cm). Relative Höhen für den ersten und den zweiten Vorsprung 24a und 24b und Dicken für die Buchse 22 können ausgewählt werden, um die Druckspannung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen einzustellen.
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Zusätzlich können bei einigen Ausführungsbeispielen die Vorsprünge 24a und 24b auf der Welle 24 um den äußeren Durchmesser der Welle 24 eingestellt werden und zusätzliche Vorsprünge können hinzugefügt werden, was eine große Flexibilität bei der Erzeugung eines variablen Drehmomentprofils für den Scherkraft-Mechanismus 20 ermöglicht. Die Vorsprünge 24a und 24b beeinflussen typischerweise ein Bogensegment der Welle 24 von etwa 15 Grad. Eine Schwankung des Profils der Buchse 22 ermöglicht eine variable Interferenz mit den Wellenvorsprüngen, was ein speziell angefertigtes Drehmomentprofil für eine bestimmte Anwendung erzeugt. Dieses nicht kreisförmige innere Profil der Buchse 22 kann durch Extrusion, Formen oder erneutes Formen des vernetzten Thermoplasts bei dessen Übergangstemperatur, die für PEX etwa 135°C ist, und darauffolgendes Kühlen hergestellt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Scherkraft-Mechanismus 20 in Anwendungen, wie z. B. „sich leise schließenden” Toilettengarnituren, verwendet werden. Während runde Wellen nur die Möglichkeiten eines konstanten Drehmoments bieten, bietet der Scherkraft-Mechanismus 20 mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und einer variablen Interferenz mit diesen Vorsprüngen Flexibilität, das Drehmomentprofil wirklich zu formen.
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Ferner ist in Anwendungen, wie z. B. diesen, der Scherkraft-Mechanismus 20 ausgebildet, um einen Vorteil aus der zähen Gleitreibung des vernetzten Thermoplasts der Buchse 22 zu ziehen. Unter bestimmten Bedingungen ist die Buchse 22 des Scherkraft-Mechanismus 20 ausgebildet, um zähe oder geschwindigkeitsabhängige Eigenschaften zu zeigen, wenn sie mit einer Reibungs-Scherkraft gegen die Welle 24 und die Vorsprünge 24a und 24b gleitet. Diese Anwendung einer gleitenden zähen Reibung zwischen zwei trockenen Materialien kann verwendet werden, um ein Verhalten von Viskose-Flüssigkeit-Vorrichtungen nachzuahmen, und zwar ohne die Komplexität einer zähen Flüssigkeit oder Abdichtungen, die benötigt werden, um die unter Druck stehende Flüssigkeit zu halten.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Scherkraft-Mechanismus 20 so ausgebildet, dass das Gehäuse 28 und die Buchse 22, die miteinander gekoppelt sind, wie ein Dämpfer auf die Welle 22, die darin enthalten ist, wirken. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Drehmoment in dem Scherkraft-Mechanismus 20 geschwindigkeitsabhängig. In einem Fall nimmt das Drehmoment mit der Geschwindigkeit zu. 2C ist ein Graph, der darstellt, wie das Drehmoment in dem Scherkraft-Mechanismus 20 als eine Funktion der Geschwindigkeit variiert.
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Bei einem Beispiel variiert das Drehmoment, für eine Drehzahl über 2, um einen Faktor von 1,6 in linearer Weise bis zu einer Drehzahl von 20. Bei einem Fall variiert das Drehmoment zwischen Drehzahlen von 0 und 2 um einen Faktor von 2 (0,5 kg-cm bei einer Drehzahl von 0,1 kg-cm bei einer Drehzahl von 2) und variiert in einer logarithmischen Weise. Ein derartiges Drehmomentprofil schafft eine günstige Eigenschaft für eine Verwendung als Dämpfer. Ferner werden, da der Scherkraft-Mechanismus 20 in Ruhe eine geringe oder keine Druckspannung auf die Buchse 22 liefert, das Drehmomentprofil und die Beziehung von Geschwindigkeit zu Drehmoment durch Temperaturlagerveränderungen minimal beeinflusst, wie oben beschrieben wurde.
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Die 3A und 3B stellen eine perspektivische bzw. eine Querschnittsansicht eines Scherkraft-Mechanismus 30 mit differentieller Druckspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Der Scherkraft-Mechanismus 30 umfasst eine Buchse 32, eine Welle 34 und ein Gehäuse 38. Ähnlich wie bei dem Scherkraft-Mechanismus 20 aus 2A kann der Scherkraft-Mechanismus 30 als Drehmomentscharnier ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Scharnierbefestigung hinzugefügt werden (wie die Scharnierbefestigung 29 in 2A), derart, dass die Welle 34 und Rändelungen 36 zur Ineingriffnahme mit einem Aufnahmeloch in der Scharnierbefestigung ausgebildet sind. Ähnlich kann das Gehäuse 38 für eine Befestigung, wie beispielsweise das Gehäuse 28 in 2A, ausgebildet sein. Ein derartiges Drehmomentscharnier mit relativ gleichmäßigem Drehmoment könnte in einem Computer-Laptop verwendet werden, beispielsweise zur scharniermäßigen Befestigung eines Bildschirms relativ zu einer Basis.
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Der Scherkraft-Mechanismus 30 ist außerdem mit einer zyklischen differentiellen Druckspannung ausgebildet. So ist dieser nicht der gleichen Temperaturabhängigkeit unterworfen, die in dem Kompressions-Scherkraft-Mechanismus 10 zu beobachten ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die zyklische differentielle Druckspannung durch ein Vermeiden erheblicher Interferenz zwischen der Buchse 32 und dem Gehäuse 38 in Ruhe, sowie ein Induzieren einer Druckspannung, während sich Komponenten relativ zueinander bewegen, über viele tausende Zyklen hinweg erzielt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Buchse 32 aus einem vernetzten thermoplastischen Material, wie z. B. PEX-A, PEX-B oder PEX-C, hergestellt. Die Buchse 32 ist fest an der Welle 34 fixiert und ist bei einem Ausführungsbeispiel durch Interferenz mit den Wellenrändelungen an der Welle 34 gesichert, sodass keine relative Drehung zwischen denselben vorliegt. Das Gehäuse 38 ist über die Buchse 32 gepasst und bei einem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 38 mit einem ersten und einem zweiten Vorsprung 38a und 38b ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt die Buchse 32 Schlitze zum Unterbringen und Aufnehmen des ersten und des zweiten Vorsprungs 38a und 38b, um so eine Interferenz zwischen der Buchse 32 und dem Gehäuse 38 zu vermeiden, wenn keine relative Drehung zwischen denselben vorliegt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich die Buchse 32, sobald das Gehäuse 38 und der erste und der zweite Vorsprung 38a und 38b über der Buchse 32 eingesetzt sind, entspannen und eine Druckspannung, die zu Beginn auf die Buchse 32 ausgeübt wird, wird größtenteils zerstreut.
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Bei einem Ausführungsbeispiel liegt eine geringe oder keine Interferenz zwischen der Buchse 32 und dem Gehäuse 38 vor und es liegt eine geringe oder keine Interferenz zwischen der Buchse 32 und der Welle 34 vor, während keine relative Bewegung zwischen der Buchse 32, der Welle 34 und dem Gehäuse 38 vorliegt. So gibt es, während der Scherkraft-Mechanismus 30 in Ruhe ist, d. h. keine relative Drehung zwischen dem Gehäuse 38 und der Buchse 32, eine geringe oder keine Druckspannung (ε), die auf die Buchse 32 ausgeübt wird. Wenn der Scherkraft-Mechanismus 30 jedoch aktiv ist, d. h. eine relative Drehung zwischen dem Gehäuse 38 und der Buchse 32, wird eine erhebliche Druckspannung (ε) während dieser relativen Drehung auf die Buchse 32 ausgeübt.
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Ähnlich wie oben in Bezug auf die Ausführungsbeispiele in den 2A und 2B beschrieben wurde, bewegen sich der erste und der zweite Vorsprung 38a und 38b, wenn das Gehäuse 38 gedreht wird und so der erste und der zweite Vorsprung 38a und 38b gedreht werden, aus den Schlitzen, die dieselben in der Buchse 32 unterbringen, heraus und beginnen, in benachbarte Abschnitte der Buchse 32 zu treiben, was eine Druckspannung (ε) auf die Buchse 32 bewirkt. So verändert sich die Druckspannung (ε) auf die Buchse 32 von einer geringen oder keiner Druckspannung (ε) zu einer erheblichen Druckspannung (ε), wenn sich das Gehäuse 38 und die Buchse 32 von keiner relativen Drehung zu einer relativen Drehung verändern. Bei einem Ausführungsbeispiel ist diese differentielle Druckspannung (ε) größer als 3% und bei einem anderen größer als 6%.
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Wie oben haben Temperaturveränderungen bei einem Ausführungsbeispiel aufgrund relativ geringer innerer Belastungen innerhalb des vernetzten thermoplastischen Materials eine geringe Wirkung auf den Scherkraft-Mechanismus 30. Der Scherkraft-Mechanismus 30 erzeugt außerdem über tausende von Zyklen einer Drehung zwischen dem Gehäuse 38 und der Buchse 32 hinweg eine wiederholbare Scherkraft. Diese wiederholbare Scherkraft ist relativ stabil, selbst über erhebliche Temperaturveränderungen hinweg.
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Die 4A und 4B, 5A und 5B und 6A und 6B stellen jeweils eine alternative perspektivische bzw. Querschnittsansicht jeweiliger Scherkraft-Mechanismen 40, 50 und 60 dar, und zwar jeweils mit zyklischer differentieller Druckspannung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Jeder der Scherkraft-Mechanismen 40, 50 und 60 umfasst eine Buchse 42, 52 bzw. 62, eine Welle 46, 56 bzw. 66 und ein Gehäuse 48, 58 bzw. 68. Ähnlich wie bei dem Scherkraft-Mechanismus 20 in 2A kann jeder Scherkraft-Mechanismus 40, 50 und 60 als Drehmomentscharnier ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Scharnierbefestigung hinzugefügt werden (wie die Scharnierbefestigung 29 in 2A) und jedes Gehäuse 48, 58 und 68 kann zum Befestigen, wie z. B. das Gehäuse 28 in 2A, ausgebildet sein. Ein derartiges Drehmomentscharnier mit relativ gleichmäßigem Drehmoment könnte in einem Computer-Laptop verwendet werden, beispielsweise um einen Bildschirm relativ zu einer Basis scharniermäßig zu befestigen.
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In jedem der Scherkraft-Mechanismen 40, 50 und 60 umfasst die Welle 44, 54, 64 ein nicht kreisförmiges Merkmal, ähnlich wie die Vorsprünge 24a und 24b in dem Mechanismus 20. Die Welle 44 des Scherkraft-Mechanismus 40 ist quadratisch, die Welle 54 des Scherkraft-Mechanismus 50 ist oval und die Welle 64 des Scherkraft-Mechanismus 60 umfasst eine Rastung 64a. Die Buchsen 42, 52 und 62 sind fest an dem Gehäuse 48, 58 und 68 fixiert, sodass keine relative Bewegung zwischen der Buchse und dem Gehäuse auftritt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel gibt es eine geringe oder keine Interferenz zwischen der Buchse 32 und dem Gehäuse 38 und es gibt eine geringe oder keine Interferenz zwischen der Buchse 32 und der Welle 34, während keine relative Bewegung zwischen der Buchse 32, der Welle 34 und dem Gehäuse 38 auftritt. So gibt es, während der Scherkraft-Mechanismus 30 in Ruhe ist, d. h. keine relative Drehung zwischen dem Gehäuse 38 und der Buchse 32, eine geringer oder keine Druckspannung (ε), die auf die Buchse 32 ausgeübt wird. Wenn jedoch der Scherkraft-Mechanismus 30 aktiv ist, d. h. relative Drehung zwischen dem Gehäuse 38 und der Buchse 32, wird eine erhebliche Druckspannung (ε) während dieser relativen Drehung auf die Buchse 32 ausgeübt.
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Ähnlich wie oben in Bezug auf die Ausführungsbeispiele in den 2A und 2B und 3A und 3B beschrieben wurde, bewegen sich, wenn die Welle 44, 54, 64 gedreht wird, die Merkmale aus den Schlitzen oder Taschen, die dieselben in ihren jeweiligen Buchsen 42, 52 und 62 unterbringen, heraus und beginnen, in benachbarte Abschnitte der Buchse zu treiben, was eine Druckspannung (ε) auf die Buchse bewirkt. So verändert sich die Druckspannung (ε) auf die Buchsen 42, 52 und 62 von einer geringen oder keiner Druckspannung (ε) zu einer erheblichen Druckspannung (ε), wenn sich die Wellen 44, 54, 64 und die Buchsen 42, 52 und 62 von keiner relativen Drehung zu einer relativen Drehung verändern.
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Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele Ausbildungen zum Erzeugen einer Scherkraft für Elemente in relativer Bewegung veranschaulichen und dass andere exemplarische Ausbildungen möglich sind. Beispielsweise können diese nicht kreisförmigen Merkmale zu dem Gehäuse, und nicht zu der Welle oder zusätzlich dazu hinzugefügt werden.
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Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, ist für normale Fachleute auf diesem Gebiet zu erkennen, dass eine Vielzahl anderer und/oder äquivalenter Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden könnte, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere sind, während die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele eine ringförmige Buchse aus vernetztem Thermoplast, die zu einer relativen Drehung mit einer nicht kreisförmigen Welle oder einem derartigen Gehäuse in der Lage ist, darstellen, viele andere Geometrien innerhalb des Schutzbereichs der Materialien und der zyklischen Druckspannung während einer Drehung verschiedener Ausführungsbeispiele möglich. Unter den verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Scherkraft-Mechanismen eine Scheibe eines vernetzten Thermoplasts in relativer Drehung mit einer zweiten Scheibe mit radialen Vorsprüngen umfassen; dies kann einen Kreisring aus einem vernetzten Thermoplast in linearer (axialer) relativer Bewegung mit einem zylindrischen Stab oder Gehäuse mit Vorsprüngen um den Umfang herum umfassen; und dies kann ein kugelförmiges Stück aus vernetztem Thermoplast in relativer Bewegung mit einem kugelförmigen Sockel, der mit vorstehenden Noppen versehen ist, umfassen.
