DE4406824A1 - Scharnier mit Schwenkhemmung - Google Patents
Scharnier mit SchwenkhemmungInfo
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- E05D—HINGES OR SUSPENSION DEVICES FOR DOORS, WINDOWS OR WINGS
- E05D11/00—Additional features or accessories of hinges
- E05D11/08—Friction devices between relatively-movable hinge parts
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- E05D11/084—Friction devices between relatively-movable hinge parts with substantially radial friction, e.g. cylindrical friction surfaces the friction depending on direction of rotation or opening angle of the hinge
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Description
Die Erfindung betrifft ein einen Schwenkstopp aufweisendes
Scharnier mit einem Lagerbolzen und je mindestens einem Lagerteil
und einem Schwenkteil.
In manchen Einsatzfällen, von denen bspw. Autotüren ein sehr
häufiger und in seiner Funktion allgemein geläufiger ist, wirken
derartige Scharniere mit Einrichtungen zusammen, die in minde
stens einem Teilbereich des Schwenkwinkels die Schwenkbewegung
bremsen, dem Schwenken Widerstand entgegensetzen. Dadurch soll
bspw. bei Autotüren erreicht werden, daß sie nicht unbeabsichtigt
zufallen, sondern auch dann, wenn das Auto nicht waagrecht steht,
in der geöffneten Stellung stehen bleiben. Aber auch bei son
stigen, schwenkbar gelagerten Vorrichtungen wie Türen, Fenstern,
Maschinenabdeckungen, Klappsitzen usw. stellt sich häufig die
Aufgabe, die freie Schwenkbewegung zu bremsen oder zu hemmen, um
ein Verschwenken dieser Vorrichtungen nur unter Aufwand
bestimmter Kräfte zu ermöglichen und sie so in bestimmten
Stellungen zu halten.
Hierfür sind in der Regel gesonderte Einrichtungen erforderlich,
die zusätzlichen konstruktiven und baulichen Aufwand erfordern
und darüber hinaus Verschleiß unterliegen, der ihre Wirksamkeit
mit zunehmender Zykluszahl beeinträchtigt.
Derartige Einrichtungen sind bspw. an Autotüren allgemein üblich.
Autotüren haben in der Regel einen Schwenkbereich von etwa 70°
bis 75°. Kurz vor Erreichen dieses Schwenkwinkels, bisweilen zu
sätzlich bei etwa der Hälfte dieses Schwenkwinkels, ist ein sog.
Schwenkstopp eingebaut, zu dessen Überwindung eine erhöhte Kraft
von bspw. 50 N erforderlich ist. Diese Kraft ist höher als
diejenigen Kräfte, die in aller Regel durch Schrägstellung des
Autos oder durch Winddruck auf die Autotüre einwirken. Dadurch
wird die Autotüre offen gehalten, von Hand kann diese Kraft aber
leicht überwunden und die Autotüre bewegt werden.
Durch die im Hauptanspruch genannten Merkmale wird die Wirkung
derartiger Einrichtungen zum Halten verschwenkbarer Bauteile in
deren Scharnier integriert.
Die erfindungsgemäßen Keilflächen sind Flächen, die in Umfangs
richtung allmählich, flach über eine gedachte zylindrische Fläche
um eine Welle ansteigen und steil wieder auf die gedachte zylin
drische Fläche abfallen bzw. in der zugehörigen Nabe abfallen und
steil wieder ansteigen. Sie sind auf den gegeneinander
verschwenkbaren Teilen in aufeinander abgestimmter Form, d. h. mit
gleicher Steigung, gleicher Anzahl, aber gegenläufig angeordnet
und bilden so Keilflächenpaarungen. Die Steigung der Keilflächen
beträgt typischerweise 1 : 50 bis 1 : 100, kann jedoch auch nur 1 : 500
sein oder bis auf etwa 1 : 20 ansteigen. Sie kann mit dem Drehwin
kel linear ansteigen bzw. abfallen oder in einer sonstigen ma
thematischen Beziehung zum Drehwinkel stehen.
Zwischen den Keilflächenpaarungen besteht Spiel in dem Sinne, daß
in einer Winkelstellung der gegeneinander verschwenkbaren Teile,
in der die steil abfallenden Rücken der Keilflächenpaarungen an
einander liegen, zwischen den Keilflächen ein geringer radialer
Abstand besteht. Dieses Spiel ist erforderlich, um das Fügen von
Welle und Nabe, d. h. das Ineinanderschieben in Achsrichtung zu
erlauben. Der Anstieg der Keilflächen, d. h. der radiale Abstand
zwischen ihrem tiefsten und ihrem höchsten Punkt ist jedoch in
jedem Falle größer als dieses Spiel.
Beim Verschwenken der Teile des Scharniers gleiten die Keilflä
chen der Keilflächenpaarungen aneinander auf und verformen dabei
wenigstens eines der zusammenwirkenden Teile. Dies erfordert in
folge der aufzubringenden Verformungsarbeit und der zu überwin
denden Reibungskräfte Kraftaufwand, der die Schwenkbewegung in
der beabsichtigten Weise bremst und hemmt.
Für die verschiedenen Einsatzfälle des erfindungsgemäßen Schar
niers müssen die zusammenwirkenden Parameter zweckgerichtet ge
wählt und aufeinander abgestimmt werden, um das Ausmaß dieser
Hemmung zu bestimmen. Diese Parameter sind hauptsächlich:
Die Steigung der Keilflächen: Je steiler diese Steigung ist, um
so steiler steigt die zum Verschwenken erforderliche Kraft mit
zunehmendem Schwenkwinkel an. Wenn dies Kraft etwa bei langen
Steigungen oder bei geringer Elastizität der gegeneinander
verschwenkenden Scharnierteile das zur Verfügung stehende Maß
übersteigt, tritt Haftschluß ein, das Scharnier wird zur dreh
festen Welle/Nabe-Verbindung.
Die Länge der Keilflächen: Da die gegeneinander verschwenkenden
Scharnierteile nach Überlaufen der höchsten Erhebungen der Keil
flächen infolge der steil abfallenden Rücken der Keilflächen in
der Regel nicht zurückgeschwenkt werden können, bestimmt die
Länge der Keilflächen in Umfangsrichtung die Obergrenze des zur
Verfügung stehenden Schwenkwinkels.
Der Reibungsbeiwert der aneinander gleitenden Keilflächen: Da in
die zum Verschwenken erforderliche Kraft auch die Reibkraft zwi
schen den aneinander gleitenden Keilflächen eingeht, beeinflußt
der Reibungsbeiwert nicht nur die Kraft zum Schwenken, sondern
auch den Verschleiß des Scharniers.
Gegenseitiger Abstand der Keilflächen bei Aneinanderliegen der
Keilrücken bzw. Schwenkwinkel aus dieser Ausgangslage bis zum
Anliegen der Keilflächen: Dieser Abstand muß erst durch
Verschwenken der Teile bis zur Anlage der Keilflächen überbrückt
werden, bevor die hemmende Wirkung der Keilflächenpaarungen ein
tritt. Dieser Abstand beeinflußt daher ebenfalls wesentlich,
welche Kraft nach Durchlaufen welchen Schwenkwinkels zum
Verschwenken erforderlich wird.
E-Modul der Materialien der gegeneinander verschwenkenden Schar
nierteile: Je geringer dieser E-Modul ist, um so geringer ist der
Anstieg der mit zunehmendem Schwenkwinkel zum Verschwenken er
forderlichen Kraft.
Eine allgemeingültige Regel für die richtige Wahl dieser Parame
ter kann infolge der Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen an
Scharniere unterschiedlichster Anwendungen und des vielschich
tigen Zusammenwirkens der vielen Parameter nicht aufgestellt
werden. Dem Fachmann sind diese Parameter aber aus dem Maschi
nenbau bekannt, so daß er die für den jeweiligen Anwendungsfall
zweckmäßige Kombination der Parameter ohne erfinderisches Zutun
auffinden kann.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 3
erfolgt das Verformen eines unter einer Keilfläche liegenden
Bereiches eines Scharnierteiles überwiegend im elastischen Be
reich seiner Verformbarkeit. D.h., das Teil erfährt beim Verfor
men keine Änderung seiner inneren Struktur und kehrt beim Zu
rückschwenken in seine ursprüngliche Form zurück. Dies wird dann
erreicht, wenn das Material, aus dem das verformte Teil besteht,
hohen E-Modul aufweist, der Schwenkwinkel nur gering ist oder/und
die Steigung der Keilflächen gering ist, bspw. 1 : 500 beträgt.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 5
erfolgt das Verformen eines unter einer Keilfläche liegenden Be
reiches eines Scharnierteiles überwiegend im plastischen Bereich
seiner Verformbarkeit. Dabei werden die Steigung der Keilflächen
und die Art des verformten Materials so gewählt, daß das unter
einer Keilfläche liegende Material bei einem ersten, einmaligen
Überdrehen des Scharniers, d. h. einem Hinwegdrehen der Keilflä
chenpaarungen über ihre höchste Erhebung hinaus, plastisch ver
formt wird. Dies führt zu einer Verdichtung der inneren Struktur
des Materials, die der Verformung bei weiteren Belastungen stets
gleichbleibenden, gegenüber elastischer Verformung mehrfach hö
heren Widerstand entgegensetzt. Erreicht wird dies insbesondere
mit Material, das sog. duktiles Verhalten aufweist und/oder durch
Steigungen der Keilflächen von mehr als bspw. 1 : 100.
Die beabsichtige Hemmwirkung wird bereits mit einer sich im we
sentlichen über den ganzen Umfang eines Lagers erstreckenden
Keilflächenpaarung erreicht. In vielen Fällen ist jedoch die An
ordnung von mehreren Keilflächenpaarungen gemäß Anspruch 7 vor
teilhaft, durch die zwar der verfügbare Schwenkwinkel einge
schränkt, die erreichbaren Momente jedoch vervielfacht werden
können.
Die Höhe des zum Verschwenken eines mittels des erfindungsgemäßen
Scharniers gelagerten Teiles kann gemäß Anspruch 8 durch die
Breite der Keilflächen in weitem Bereich gewählt werden, also
durch die Länge der mittels ihrer Keilflächenpaarungen
miteinander in Wirkverbindung stehenden Welle/Nabebereiche der
Scharnierteile in Richtung deren Drehachse.
Durch die gemäß Anspruch 9 veränderbare Winkelstellung des Bol
zens des Scharniers in Bezug auf das ihn haltende und damit auch
auf das von ihm gelagerte Scharnierteil kann der Schwenkwinkel
bereich des Scharniers in Bezug auf den Verformungswinkelbereich
der Keilflächenpaarungen verstellt werden. Dies eröffnet viel
fältige Einstellmöglichkeiten. So kann dadurch das Spiel zwischen
den Keilflächenpaarungen vermindert oder ganz ausgeschaltet wer
den, wodurch Spielfreiheit des Scharniers erreichbar oder nach
Verschleiß wieder herstellbar ist - das Scharnier ist nachstell
bar. Es kann auch eine Vorabverformung der Teile erreicht werden,
so daß bei Beginn des Verschwenkens bereits merkliche Hemmung
vorhanden ist. Schwenk- und Verformungs-Winkelbereich können so
gelegt werden, daß die Hemmwirkung mit zunehmendem
Verschwenkwinkel zunimmt oder nach überschreiten eines Höchst
wertes wieder abnimmt.
Eine besonders vorteilhafte Lösung ist gemäß Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Winkel-Verstellbarkeit des Bolzens eben
falls mittels Keilflächenpaarungen erfolgt. In einer besonders
einfachen Lösung werden dazu die für Hemmung der Schwenkbewegung
vorgesehenen Keilflächenpaarungen mit verwendet. Dies ist dann
möglich, wenn die Keilflächenpaarungen zum Befestigen des Bolzens
in einen Winkelbereich gedreht werden können, der beim
Verschwenken des Scharniers nicht erreicht wird. Dadurch werden
zum Befestigen des Bolzens Momente erreicht, die über denjenigen
liegen, die beim Verschwenken des Scharniers erreicht werden.
Andernfalls kann die Breite der zum Befestigen des Bolzen die
nenden Keilprofilpaarungen gegenüber den zur Lagerung dienenden
erhöht werden. Es können jedoch auch zum Befestigen des Bolzens
Keilflächenpaarungen mit anderen Parametern, insbesondere mit
steilerer Steigung verwendet werden, mit denen allgemein größere
Momente erreicht werden.
Das Befestigen des Bolzens mittels Keilflächenpaarungen hat auch
den Vorteil, daß er bspw. bei ungewöhnlichem Verschleiß leicht
ausgetauscht werden kann.
Wie erwähnt können die Scharnierteile nicht zurückgedreht werden,
wenn die höchsten Erhebungen der Keilflächen übereinander wegge
laufen sind. Da eine Keilflächenpaarung sich über nicht mehr als
360° erstrecken kann und ihr nutzbarer Schwenkwinkel daher etwa
300° kaum übersteigen dürfte, sieht die Erfindung in Anspruch 11
eine rohrförmige Lagerzwischenhülse vor, die keine feste Verbin
dung zu einem der gegeneinander verschwenkenden Scharnierteile
hat und insoweit als frei drehbar anzusprechen ist. Sie weist
sowohl auf auf ihrer Außenseite als auch auf ihrer Innenseite
Keilflächen auf, die mit den jeweils gegenüberstehenden Keilflä
chen kompatibel sind. Dabei müssen die Parameter der zwei Kreis
keilpaarungen auf der Innen- und der Außenseite der Lagerzwi
schenhülse nicht übereinstimmen.
Diese Lagerzwischenhülse bietet die Möglichkeit, entweder den
Schwenkwinkel des mit ihr ausgestatteten Scharniers zu erhöhen -
bspw. bei zwei Kreiskeilpaarungen, die sich jeweils über 360°
erstrecken, auf annähernd 600° - oder die Anzahl von Kreiskeil
paarungen unter Beibehalten eines gegebenen Schwenkwinkels zu
erhöhen - bei einem Schwenkwinkel von 300° bspw. je zwei Kreis
keilpaarungen auf dem Umfang der gegeneinander verschwenkenden
Scharnierteile.
In Anspruch 13 und den Unteransprüchen 14 und 15 ist ein Verfah
ren zum Herstellen eines plastifizierbaren Scharnierteils gemäß
Anspruch 5 genannt und weiterbildend beschrieben.
In den Figuren der Zeichnung ist das Wirkungsprinzip der Erfin
dung und einige typische Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Scharnier mit
Keilflächen auf den Schwenklagerflächen;
Fig. 2 die Ansicht eines Scharniers gemäß Fig. 1;
Fig. 3 die Ansicht eines anders ausgeführten Scharniers;
Fig. 4 das Kraft/Drehwinkel-Diagramm einer Scharnier-Verbind
ung gemäß der Erfindung mit beispielshalber zwei
Keilflächen auf dem Umfang;
Fig. 5 und 6 Kraft/Schwenkwinkel-Diagramme von Arbeitsbereichen
erfindungsgemäßer Scharniere;
Fig. 7 bis 10 Kraft/Schwenkwinkel-Diagramme von Scharnieren mit
einer und mehreren Keilflächen-Paarungen auf dem Umfang
der Schwenklagerflächen;
Fig. 11 bis 13 teilweise geschnittene Ansichten von Scharnieren
mit zylindrischem Lagerbereich;
Fig. 14 Draufsicht auf ein Scharnier mit eingebautem
Schwenkanschlag;
Fig. 15 und 16 teilweise geschnittene Ansicht bzw. Draufsicht
auf ein Scharnier mit Lagerzwischenhülse.
Fig. 1 zeigt ein Scharnier in seiner einfachsten Form, in der es
ein festes Lagerteil 1, ein bewegliches Schwenkteil 2 und einen
diese beiden Teile schwenkbar miteinander verbindenden Bolzen 3
aufweist. Dabei ist der Bolzen 3 entweder im Lagerteil 1 oder im
Schwenkteil 3 drehfest. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung dieses
Scharniers, in der das Lagerteil 1 den Bolzen 3 in zwei Bereichen
lagert bzw. haltert. Es versteht sich, daß eine Vielzahl weiterer
Ausführungsformen derartiger Scharniere möglich ist.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist der erfindungsgemäße Bolzen 3 min
destens in demjenigen Bereich seiner Länge, in dem er drehbar im
Lagerteil 1 oder im Schwenkteil 2 sitzt, auf seinem Umfang mit in
der dargestellten Ausführungsform zwei, um 180° um den Umfang
versetzten Keilflächen 4, 4′ versehen, die in Umfangsrichtung
allmählich über eine gedachte, gestrichelt eingezeichnete Zylin
derfläche 5 ansteigen und steil wieder auf diese abfallen. Das
Lagerteil 1 oder das Schwenkteil 2, in dem der Bolzen 3 drehbar
ist, weist komplementäre Keilflächen 6, 6′ auf, sich allmählich
von einer gedachten, strichpunktiert eingezeichneten Zylinder
fläche 7 absenken und steil wieder zu dieser ansteigen. In Fig. 1
ist die Steigung der Keilflächen der Deutlichkeit halber stark
überhöht dargestellt. Maßstabsgerecht würde der Unterschied zwi
schen den Radien zum innersten bzw. zum äußersten Punkt der
Keilflächen bei einer Steigung von bspw. 1 : 100 nur etwa 0,4 mm
betragen.
Zwischen den Keilflächen 4, 4′ und 6, 6′ liegt ein enger Spalt,
der einerseits durch unvermeidliche Fertigungstoleranzen bedingt
ist, andererseits aber für das Fügen der Scharnierteile unver
zichtbar ist.
Beim gegenseitigen Verdrehen von Bolzen 3 und Lagerteil 1 oder
Schwenkteil 2 in Pfeilrichtung nähern sich zunächst die Keilflä
chen 4 und 6 bzw. 4′ und 6′, bis der Spalt zwischen den Keilflä
chen verschwunden ist, die Keilflächen also aneinanderliegen.
Beim weiteren Verdrehen verdrängen sich dann die unter den Keil
flächen liegenden Kreiskeile und verformen dabei den nachgie
bigeren Teil des Scharniers, in der Regel die Nabe 8 des Lager
teils 1 oder des Schwenkteils 2. Hierfür ist zunehmender Kraft
aufwand erforderlich, der das Scharnier mit zunehmendem
Verschwenkwinkel schwergängiger werden läßt.
Im Kraft/Drehwinkel-Diagramm der Fig. 4 ist über dem Drehwinkel
in der Abszisse das Drehmoment in der Ordinate bspw. in Nm je mm
Lagerlänge aufgetragen. Dargestellt sind beispielshalber die
Verläufe der Drehmomente an zwei Scharnieren mit jeweils zwei,
sich über jeweils 180° erstreckenden Keilflächenpaarungen, jedoch
unterschiedlicher Steigung und unterschiedlichen Materials. Als
Ausgangspunkt ist jeweils eine Winkelstellung gewählt, bei der
das Spiel zwischen den Keilflächenpaarungen bereits überbrückt
ist. Daher steigen die Momente aus dem Drehwinkel Null sofort an.
Die strichpunktierte Linie 9 gibt den Verlauf des Momentes bei
einer Steigung der Keilflächen von 1 : 500 wieder, bei der Verfor
mung nur im elastischen Bereich erfolgt. Das Moment steigt in
einem sich abflachenden Ast 10 auf den Höchstwert 11 an, der bei
einem Schwenkwinkel von etwa 60° erreicht wird um dann wieder im
Ast 12 abzufallen. Der Höchstwert 11 des Momentes wird bei einem
Drehwinkel erreicht, der etwa in der Mitte zwischen dem Beginn
des Anstiegs des Momentes und seinem Abfall auf den Wert null
liegt, obwohl die stärkste Verformung der Nabe durch die größte
Höhe der Keilflächen erst kurz vor einem Drehwinkel von 180° er
reicht wird. Das hat seine Ursache vor allem darin, daß die
Überdeckung der Keilflächen 4, 4′ und 6, 6′ und damit das Volumen
der Verformung mit zunehmendem Drehwinkel abnimmt. Zwar nimmt
auch die Größe der Fläche ab, auf der die Keilflächen 4, 4′, 6,
6′ aufeinander reiben, diese Abnahme der Reibungsfläche wird aber
im wesentlichen durch den höheren Normaldruck auf der verblei
benden Reibfläche ausgeglichen, so daß von annähernd gleichblei
bender Reibkraft ausgegangen werden kann.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Ver
formen der Nabe 8 eines der Lagerteile 1 oder 2 in diesem ela
stischen Bereich. Die erreichte Verformung wird also beim Zu
rückschwenken rückgängig gemacht und kann beliebig oft wiederholt
werden. Es hat sich gezeigt, daß bei richtiger Wahl der Werk
stoffpaarung Bolzen 3/Lagerteil 1 bzw. Schwenkteil 2 auch bei
sechsstelligen Schwenkzyklen kein Ermüden des Scharniers, d. h.
kein die beabsichtigte Funktion des Scharniers beeinträchtigender
Abfall des zum Verschwenken erforderlichen Momentes eintritt.
In der ausgezogenen Linie 13 und der gestrichelten Linie 14 der
Fig. 4 ist der verlauf des Momentes bei plastischer Verformung
nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die
Steigung der Keilflächen beträgt hier 1 : 100, so daß das Moment im
Ast 10 sehr viel steiler ansteigt und einen wesentlich höheren
Wert erreicht als im ersten Beispiel. Bei einem ersten Durch
schwenken des Scharniers über 180° hinaus, bei dem die Keilflä
chenpaarungen sich also vollständig überlaufen, wird das Material
mindestens eines der Scharnierteile so weit verformt, daß
Plastifizierung erfolgt. Dabei steigt das Moment auf den Höchst
wert 11′ an. Beim nächsten Schwenkzyklus steigt die Kraft nur
mehr auf den geringeren Wert 11′′ an, der auch bei allen weiteren
Verformungszyklen nicht mehr überschritten wird. Dieser Wert 11′′
hat sich als bleibend in dem Sinne erwiesen, als er sich auch
über sechsstellige Verformungszyklen nur mehr unwesentlich ver
ändert.
Wie ersichtlich, können mit einem Scharnier mit derartig
plastifizierten Teilen Momente je Längeneinheit der Lagerflächen
erreicht werden, die ein Mehrfaches, bspw. das Vier- bis Fünf
fache der Momente betragen, die mit einem Scharnier erreichbar
sind, in dem nur von der elastischen Verformbarkeit der Lager
teile Gebrauch gemacht wird. So wird in dem in Fig. 4 darge
stellten Beispiel mit elastischer Verformung ein höchstes Moment
11 von etwa 1,39 Nm je mm Lagerlänge erreicht, während das höch
ste Moment 11′′ bei plastisch verformten Teilen etwa 5,84 Nm je mm
Lagerlänge erreicht.
Einem Verschleiß des Scharniers durch Materialabtragung oder
Korrosion kann durch entsprechende Oberflächenbehandlung der
Keilflächen 4, 4′, 6, 6′ wie bspw. Nitrieren entgegengewirkt
werden. Dagegen bringt Schmieren des erfindungsgemäßen Scharniers
keine erkennbaren Vorteile. Es läßt den Reibungsbeiwert auf etwa
ein Drittel abfallen. Da die Reibkraft jedoch nur den kleineren
Teil zu der zum Verschwenken des mittels des Scharniers gela
gerten Teils erforderlichen Kraft beisteuert, sinkt das Moment
nicht wesentlich ab. Die hohe Flächenpressung zwischen den Keil
flächen drückt das Schmiermittel im übrigen nach wenigen
Schwenkzyklen aus der Lagerfuge, so daß wieder die stabilen Ver
hältnisse der Trockenreibung eintreten. Das erfindungsgemäße
Scharnier ist daher wartungsfrei.
Das Plastifizieren als notwendiger Bearbeitungsgang in der Fer
tigung eines Scharniers dieser Ausführungsform kann mittels eines
kalibrierten Plastifizierwerkzeuges erfolgen, das je nachdem dem
Bolzen 3 oder - wohl nur ausnahmsweise - dessen Gegenstücken La
gerteil 1 oder Schwenkteil 2 entspricht. Derartig plastifizierte
Teile sind frei kombinierbar, bspw. als Ersatzteile verwendbar.
Das Plastifizieren kann aber auch anhand der einzusetzenden Teile
selbst erfolgen, wobei jedoch die Paarung der miteinander
plastifizierten Teile beibehalten werden sollte.
Die Steilheit der Steigung der Keilflächen 4, 4′, 6, 6′ wird in
Abhängigkeit von den materialspezifischen Eigenschaften des
Stahls gewählt, aus dem das zu plastifizierende Scharnierteil
gefertigt wird. Hierfür eignen sich insbesondere Stahlsorten, die
duktiles Verhalten zeigen. Da die spezifischen Eigenschaften der
verwendeten Stahlsorte für die erfindungsgemäß angestrebte Funk
tion des Scharniers sehr wesentlich sind, wird verständlich, daß
elastisches bzw. plastisches Verhalten mit sich in Teilbereichen
überdeckenden Steigungswerten erreichbar ist, wie dies in den in
den Ansprüchen 4 bzw. 6 zum Ausdruck kommt.
In der Regel ist die Nabe 8 des Lagerteils 1 oder des Schwenk
teils 2 elastisch verformbar oder plastifizierbar ausgebildet. In
manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Bolzen 3 elastisch
verformbar oder plastifizierbar auszuführen, er ist dann zweck
mäßigerweise hohl ausgebildet.
Im Einbauzustand wird ein Scharnier nur über einen begrenzten
Drehwinkel verschwenkt. Der Schwenkwinkel des erfindungsgemäßen
Scharniers mit Keilflächen ist durch deren Wirkungsprinzip inso
weit beschränkt, als die Teile nach Überlaufen der Rücken der
Keilflächen 4, 4′, 6, 6′ infolge deren steilen Abfalls nicht zu
rückgedreht werden könnten. Der Schwenkwinkel darf also im Bei
spiel der Fig. 5 und 6, in denen die erforderliche Schwenkkraft
über einen vollen Schwenkzyklus von 180° ebenfalls zweier Keil
flächenpaarungen auf dem Umfang dargestellt ist, einen Betrag von
etwa 160° nicht überschreiten. Im Beispiel der Autotüre wird aus
diesem Bereich ein Fenster von nur 70° bis 75° beansprucht. Die
ses Schwenkbereichsfenster 15 kann durch die Winkelstellung des
Bolzens 3 beliebig gelegt werden. In Fig. 5 ist es bspw. so ge
legt, daß zum Schwenken der Autotüre eine Kraft notwendig ist, die
von etwa 13 N beim Öffnen der Türe auf etwa 70 N beim Erreichen
eines Öffnungswinkels von 66° ansteigt und beim Erreichen voller
Türöffnung bei 75° auf etwa 69 N absinkt. Die Türe bleibt also in
allen Öffnungsstellungen stehen, d. h. sie geht nicht von selbst
auf oder fällt nicht von selbst zu.
Im Beispiel der Fig. 6 ist das Schwenkbereichsfenster 15′ so ge
legt, daß die Kraft beim Öffnen oder Schließen der Türe etwa 43 N
beträgt, bei einem Schwenkwinkel von 45° auf 70 N ansteigt und
beim vollen Öffnungswinkel auf etwa 57 N anfällt. Es wird hier
also ein deutlich fühlbarer Türstopp bei etwa 45° im Schwenkbe
reichsfenster 15′ erreicht.
Die Höhe der Momente, die zum Verschwenken eines mit dem
erfindungsgemäßen Scharniers gelagerten Bauteils erforderlich
sind, kann durch die axiale Länge der Lagerflächen der mitein
ander in Wirkverbindung tretenden, mit Keilflächen versehenen
Teile Bolzen 3 und Scharnierlager 1 oder Bolzen 3 und Schwenkteil
2 beliebig gewählt werden. Die in Fig. 4 dargestellten Kräfte
können bspw. mit einer axialen Länge der miteinander in Wirk
verbindung tretenden Keilflächen von nur 8 mm erreicht werden.
Scharniere der erfindungsgemäßen Art bauen daher trotz Integra
tion der Türstoppfunktion in aller Regel kleiner als die geläu
figen Scharniere ohne Türstopp.
Der Schwenkwinkel, in dem ein zu verschwenkendes Teil wie eine
Türe, ein Fenster, eine Abdeckung usw. dem Verschwenken einen im
Ast 10 zunächst zunehmenden und dann im Ast 12 abnehmenden Wi
derstand entgegensetzt, kann durch die Anzahl der um den Umfang
der gegeneinander verschwenkten Teile angeordneten Keilflächen
paarungen bestimmt werden.
So beginnt bspw. das Moment bei Anordnung nur einer Keilflächen
paarung über 360° gemäß Fig. 7 nach Überbrücken des Fügespaltes
bei etwa 40° anzusteigen. Es erreicht bei etwa 180° seinen
Höchstwert 11 und fällt dann bis 360° wieder ab. Selbst wenn
stetes Anliegen eines Mindestmomentes verlangt wird, steht ein
mit Drehmoment belasteter Schwenkwinkel von bis zu mindestens
240° zur Verfügung, was auch für voll, d. h. um 180° aufschwin
gende Türen bei weitem ausreichend ist.
Wenn die vorkommenden Schwenkwinkel geringer sind, können drei,
vier, praktischerweise bis zu sechs Keilflächenpaarungen einge
setzt werden. In den Fig. 8, 9 und 10 sind Beispiele für den Mo
mentenverlauf bei Einsatz von drei, vier und sechs Kreiskeilpaa
rungen dargestellt. Wie ersichtlich, vermindern sich die verfüg
baren Bereiche der Schwenkwinkel umgekehrt proportional zur An
zahl der Keilflächenpaarungen.
Der Bolzen 3 kann auf beliebige, geläufige Art im Lagerteil 1
oder im Schwenkteil 2 befestigt sein, sofern die Befestigungsart
geeignet ist, den Bolzen drehfest genug zu haltern.
Da für die erfindungsgemäße Wirkungsweise des Scharniers die
Winkelstellung des Bolzens 3, in der er in dem ihn halternden
Lager- oder Schwenkteil 1 bzw. 2 befestigt ist, ausschlaggebend
ist, ist eine Befestigungsweise, mittels der diese Winkelstellung
einfach eingestellt und bleibend gesichert werden kann, sehr
wichtig. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, den Bolzen 3 eben
falls mittels einer Keilflächenpaarung, insbesondere der bereits
auf dem Bolzen vorhandenen Keilflächenpaarung in einem der
Scharnierteile 1 oder 2 zu befestigen. Dazu weist auch das be
treffende Scharnierteil 1 oder 2 eine entsprechende Keilflächen
paarung auf. Beim Einsatz plastifizierbarer Scharnierteile er
folgt das Befestigen des Bolzens 3 dadurch, daß er gewissermaßen
im ersten Verformungszyklus der Fig. 4 in einen Bereich, also in
eine Winkelstellung gedreht wird, in der die Kraft zu seinem
Verdrehen über dem Wert 11′′ der plastifizierten Keilflächenpaa
rungen liegt. Diese der Festlegung des Bolzens zugeordnete Kraft
in der Keilflächenpaarung zwischen dem Bolzen und dem ihn hal
ternden Teil wird beim Schwenken des Scharniers von der dem
Schwenken der Teile zugeordneten Kraft in der Keilflächenpaarung
zwischen den schwenkenden Teilen nicht erreicht, der Bolzen
bleibt daher befestigt. Trotzdem kann er gelöst und daher bspw.
bei Verschleiß ausgetauscht werden oder es kann durch Drehen des
Bolzens 3 der Fenstetbereich 15, 15′ des Schwenkwinkels der
schwenklagernden Keilflächenpaarung verändert oder Spiel ausge
glichen werden.
Es ist jedoch auch möglich, den Bereich des Bolzens 3 und des
Lagerteils 1 oder 2, in dem der Bolzen befestigt werden soll, mit
Keilflächen mit steilerer Steigung von bspw. 1 : 50 auszustatten.
Mit dieser Steigung kann Reibschluß erzielt werden, dessen
Haltekraft wesentlich über den Momenten liegt, die beim
Verschwenken der durch das Scharnier gelagerten Teile auftreten.
So zeigt Fig. 11 ein Scharnier, dessen Bolzen 3 im Lagerteil 1
mittels Keilflächenpaarungen befestigt ist, die im Bolzenbereich
3′ durch parallele strichpunktierte Linien angedeutet sind. Der
Bolzen 3 kann an den 6-Kant-Schlüsselflächen 16 verdreht werden,
bis er im Lagerteil 1 fest sitzt. Gegebenenfalls kann er auch
wieder gelöst werden. Im Bereich 3′′ weist der Bolzen 3 ebenfalls
Keilprofilpaarungen auf, auf denen das Schwenkteil 2 drehbar ge
lagert ist. Die Keilflächenpaarungen im Bereich 3′′ können andere
Parameter, insbesondere andere, flachere Steigung aufweisen als
diejenigen im Bereich 3′, damit die im Bereich 3′′ auftretenden
Momente beim Schwenken des Scharniers jedenfalls deutlich unter
denjenigen bleiben, bei denen die Befestigung des Bolzens im Be
reich 3′ gelockert wird.
Das Scharnier der Fig. 11 weist ferner im Lagerbereich des Bol
zens 3 und des Schwenklagerteils 2 einen zylindrischen Abschnitt
17 auf, durch den ein exaktes Führen des Schwenklagerteils 2 er
folgt.
In der Variante der Fig. 12 ist das Schwenklagerteil 2 zwischen
dem Lagerteil 1 und dem Kopf 18 des Bolzens 3 angeordnet, so daß
es im Gegensatz etwa zur Ausführungsform der Fig. 11 nicht axial
abgezogen werden kann. Die Keilflächenpaarungen entsprechen den
bei Fig. 11 beschriebenen.
In der Variante der Fig. 13 dient der zylindrische Kopf 18 des
Bolzens 3 als zylindrischer Lagerbereich. Der Bolzen 3 ist hier
mittels eines Innensechskants 19 im Kopf 18 drehbar. Das Befe
stigen des Bolzens 3 im Lagerteil 1 im Bereich 3′′ erfolgt hier
mittels derselben Keilflächenpaarung, mittels der das Lagerteil 2
im Bereich 3′ schwenkbar auf dem Bolzen gelagert ist.
In vielen Fällen, so bspw. auch bei der bereits mehrfach angezo
genen Autotüre, müssen Scharniere einen festen Endanschlag auf
weisen. Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierfür, bei dem
der mit strichpunktiert angedeuteten Keilflächenpaarungen 4, 6
versehene Bolzen 3 eines Scharniers eine Nase 20 aufweist, die in
eine Nut 21 des auf dem Bolzen schwenkbaren Scharnierteils, hier
des Schwenkteils 2, eingreift. Die Länge der Nut 21 in Umfangs
richtung ist begrenzt und legt mit ihren Endflächen 22 den Winkel
fest, um den das Schwenkteil 2 auf dem Bolzen 3 verschwenkt wer
den kann.
In den Fig. 15 und 16 ist ein Scharnier mit einer Lagerzwi
schenhülse 23 gezeigt, die sowohl auf ihrer Innenfläche 24 als
auch auf ihrer Außenfläche 25 mit Keilflächen 4 bzw. 6 versehen
ist, wobei die inneren Keilflächen mit entsprechenden Keilflächen
auf dem Bolzen 3, die äußeren Keilflächen mit entsprechenden
Keilflächen im Schwenklagerteil 2 zusammenwirken. Die Keilflä
chenpaarungen erstrecken sich um einen Winkel von nahezu 360°.
Beim Verschwenken dieses Scharniers wird zunächst eine der beiden
Kreiskeilpaarungen 4/6 aufzulaufen beginnen. Da mit zunehmendem
Schwenkwinkel das aufzubringende Moment ansteigt, wird auch die
andere Keilflächenpaarung beginnen, aufzulaufen. Die "schwimmen
de" Lagerzwischenhülse 23 wird also im Gleichgewicht der an ihrer
inneren Keilflächenpaarung und an ihrer äußeren Keilflächenpaa
rung auftretenden Momente annähernd im halben Schwenkwinkel der
gegeneinander verschwenkten Teile 1 und 2 mitgenommen. Da die
beiden Keilflächenpaarungen sich über je fast 360° erstrecken,
können die verschwenkenden Teile 1, 2 über einen Winkel von bis
zu 600° verschwenkt werden, ohne daß sich die Keilflächenpaa
rungen überlaufen. Gegebenenfalls können zwischen den Teilen 1, 2
und 23 nicht näher dargestellte Anschläge vorgesehen werden, die
ein Überlaufen von Keilflächenpaarungen verhindern.
Beim Zurückschwenken des Scharniers überwiegt der Abfall des Mo
mentes zwischen einer der Keilflächenpaarungen 4, 6 den Abfall
zwischen der anderen Keilflächenpaarung. Beim Abfall der Momente
findet kein Ausgleich statt. Es wird sich also zunächst eine der
Keilflächenpaarungen 4, 6 ganz zurückdrehen, bis die steil ab
fallenden Rücken ihrer Keilflächen aneinanderliegen. Da diese
Keilflächenpaarung sich dann nicht weiter zurückdrehen kann, wird
bei weiterem Zurückschwenken die andere Keilflächenpaarung zu
rückgedreht.
Claims (15)
1. Scharnier mit einem Lagerbolzen und je mindestens einem La
gerteil und einem Schwenkteil, dadurch gekennzeichnet, daß auf
der Lagerfläche des Lagerbolzens (3) wenigstens eine in Umfangs
richtung und radial ansteigende Keilfläche (4, 4′) und auf der
Lagerfläche jedenfalls desjenigen Lagerteils (1) oder desjenigen
Schwenkteils (2), in dem der Lagerbolzen drehbar ist, entspre
chend wenigstens eine gleiche Keilfläche (6, 6′) gegenläufig an
geordnet ist, wobei das Spiel zwischen den einander gegenüber
liegenden Keilflächen kleiner ist als deren Anstieg.
2. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für
das Zusammenwirken der Teile (1, 2, 3) des Scharniers maßgebenden
Parameter (Steigung, E-Modul des nachgiebigen Teils, Reibungs
beiwert der Reibflächen, Spiel zwischen den Reibflächen) der
Keilflächenpaarungen (4/6, 4′/6′) so gewählt sind, daß jedenfalls
in dem benutzten Schwenkwinkelbereich des Scharniers die Kräfte,
die zum Drehen des mittels des Scharniers gelagerten Objektes
erforderlich werden, in einem gewählten Bereich liegen.
3. Scharnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verformen wenigstens eines der Teile (1, 2, 3) des Scharniers
durch das Auflaufen der Keilflächen (4, 4′, 6, 6′) beim
Verschwenken überwiegend im elastischen Bereich seiner Verform
barkeit erfolgt.
4. Scharnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steigung der Keilflächen (4, 4′, 6, 6′) kleiner ist als 1 : 50.
5. Scharnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verformen wenigstens eines der Teile (1, 2, 3) des Scharniers
durch das Auflaufen der Keilflächen (4, 4′, 6, 6′) beim
Verschwenken überwiegend im plastifizierten Bereich seiner Ver
formbarkeit erfolgt.
6. Scharnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steigung der Keilflächen (4, 4′, 6, 6′) größer ist als 1 : 100.
7. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über
den Umfang der mit Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) versehenen Schar
nierteile (1, 2, 3) in Abhängigkeit vom vorgesehenen Schwenkwin
kel des Scharniers eine Paarung oder mehrere Paarungen von Keil
flächen angeordnet sind.
8. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Höhe der zum Verschwenken des Scharniers erforderlichen Kraft
durch die wirksame Breite der auf den Scharnierteilen (1, 2, 3)
angeordneten Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) in Richtung der Schwenk
achse wählbar ist.
9. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Winkelstellung des Bolzens (3) um seine Längsachse in dem ihn
halternden Scharnierteil (1, 2) veränderbar ist.
10. Scharnier nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bolzens (3) in dem ihn halternden Scharnierteil (1, 2) mittels
wenigstens einer Keilflächenpaarung (4, 6) gehaltert ist.
11. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi
schen den Lagerflächen zweier auf ihren Lagerflächen mit Paa
rungen von Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) versehener, gegeneinander
verschwenkbarer Scharnierteile (1, 2, 3) eine frei drehbare, auf
ihrer Innenfläche (24) und auf ihrer Außenfläche (25) mit den
gegenüberliegenden Keilflächen (4, 6) entsprechenden Keilflächen
versehene Lagerzwischenhülse (23) angeordnet ist.
12. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an
einem der gegeneinander verschwenkenden Scharnierteile (1/3; 2/3)
eine Nase (20) angeordnet ist, die in eine, sich nur über einen
Teil des Lagerumfangs erstreckende Nut (21) des jeweils anderen
Scharnierteils eingreift.
13. Verfahren zum Herstellen von mit Keilflächen versehenen,
plastifizierten Scharnierteilen nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu
plastifizierende Scharnierteil durch Drehen eines harten Werk
zeugs mit Gegen-Keilflächen in Arbeitsstellung um einen Drehwin
kel von mindestens 360°/k, wobei k die Anzahl der Keilflächen
paarungen der Scharnierteile ist, beansprucht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
Plastifizieren mittels eines kalibrierten Plastifizierungs
werkzeugs erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
Plastifizieren mittels des Gegenstückes einer Keilflächenpaarung
erfolgt.
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