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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einstellung einer
Reibungskraft auf einer drehbaren Welle oder axial verschiebbaren
Stange. Solch eine Anordnung kann für unterschiedliche Einsatzzwecke
vorzugsweise zur Dämpfung
von Bewegungen im Automobilbau eingesetzt werden und dabei die Funktion
von Scharnieren, Gelenken oder Gasdruckhebern erfüllen.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, mechanische
Bewegungen, vorzugsweise Schwenk- oder Axialbewegungen, zu dämpfen. So
werden beispielsweise die Bewegungen von Motorhauben oder Heckklappen
mittels Gasdruckhebern unterstützt
und gleichzeitig ihre Öffnungs-
und Schließbewegung
gedämpft.
Im Innenraum eines Kraftfahrzeuges werden beispielsweise Schwenkbewegungen
klappbarer Haltegriffe oder Öffnungsbewegungen
von Handschuhfächern
oder Ablagefächern
mechanisch gedämpft.
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Auch
in anderen Industriezweigen, beispielsweise in der Elektronikindustrie
werden solche gedämpften
Gelenke verwendet. So zeigt beispielsweise die
US 5,771,539 ein Federscharnier für das Display
eines Notebook-Computers, wobei eine Spiralfeder um eine Welle herumgewickelt
ist und ein Drehmoment und eine Reibungskraft erzeugt. Bei dieser Anordnung
ist ein erstes Ende der Spiralfeder mit dem Unterteil des Notebook-Computers
verbunden und das andere Ende der Spiralfeder mit dem schwenkbaren
Display, so dass die Öffnungsbewegung
durch die Federwirkung unterstützt
wird und gleichzeitig die Reibungskraft beim Öffnen vergrößert.
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Das
Dokument US 2002/0042971 A1 zeigt ein Reibungsscharnier für ein elektronisches
Gerät, beispielsweise
ein Notebook-Computer oder ein PDA, welches ein hülsenförmiges Reibungselement zwischen
einem drehbaren Stift und einem Lagerkörper aufweist. Das Reibungselement
ist in den Lagerkörper
eingepresst, wodurch der drehbare Stift eine Reibungskraft erfährt.
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Die
beschriebenen Lösungen
zeigen zwar Möglichkeiten
in gewissem Maße
Schwenkbewegungen mittels Reibung zu dämpfen, doch reichen diese Möglichkeiten
für bestimmte
mechanische Anwendungen nicht aus. Beispielsweise könnte eine Änderung
der Reibungskraft in Abhängigkeit
der Schwenkstellung unerwünscht
sein.
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Auch
wird sich bei konventionellen eingepressten hülsenförmigen Reibungselementen im Laufe
der Lebensdauer die Reibungskraft durch Materialermüdung und
Verschleißeffekte
verringern, so dass die Dämpfung
im Laufe der Zeit weniger wird. Weiterhin ist die Reibung und damit
die Dämpfung bei
den vorbekannten Gelenken nach der Montage nicht einstellbar oder
nachstellbar, sondern festgelegt. Weiterhin eignen sich die beschriebenen
Gelenken lediglich für
eine Art der Bewegung entweder rotatorisch oder translatorisch.
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Daher
ist es wünschenswert
die Dämpfungswirkung
einer Anordnung genau dosieren zu können und über den kompletten Bewegungsbereich
konstant zu halten. Weiterhin ist es wünschenswert, eine freie Drehung
der Welle zu gewährleisten
und nicht nur eine Schwenkbewegung von < 360° zu
erlauben. Auch ist es wünschenswert
eine Anordnung bereitzustellen, mit der sowohl rotatorische als
auch für
translatorische Bewegungen oder beide Arten gleichzeitig mit einer
einzigen Anordnung gedämpft
werden können.
Auch soll die Anordnung technisch möglichst unkompliziert und einfach
sein, um die Lebensdauer der Anordnung zu erhöhen und die Herstellungskosten
möglichst
niedrig zu halten. Auch soll sich die gewünschte Dämpfungswirkung möglichst
einfach einstellen lassen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegenden Probleme werden gelöst durch
eine Anordnung zur Einstellung einer Reibungskraft gemäß den Patentansprüchen 1 oder
4. Im Speziellen werden sie gelöst
durch eine Anordnung zur Einstellung einer Reibungskraft, aufweisend
eine Welle, eine Lagerung zum Lagern der Welle, wobei die Welle
bezüglich
der Lagerung drehbar ist, und eine spiralförmige Torsionsfeder, welche
um die Welle herum gewickelt ist, um eine einstellbare Reibungskraft
auf die Welle auszuüben,
wobei die Torsionsfeder bezüglich
der Lagerung einstellbar festgehalten wird.
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Mit
solch einer Anordnung ist die Drehbewegung der Welle von der Einstellung
der Torsionsfeder unabhängig,
so dass die Bewegung der Welle nicht die Einstellung der Torsionsfeder
beeinflusst. Die Reibungswirkung und damit die Dämpfung kann wie gewünscht eingestellt
werden und auch später
angepasst oder verändert
werden. Durch die Verwendung einer spiralförmigen Torsionsfeder erfolgt
diese Einstellung weiterhin stufenlos, von ganz geringer Dämpfung bis
starker Dämpfung.
Auch ist die beanspruchte Anordnung sehr einfach in ihrem Aufbau,
so dass sie eine hohe Ausfallsicherheit aufweist und kostengünstig herstellbar
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann sich die Welle bezüglich
der Lagerung frei drehen. Damit sind freie Schwenk- oder Drehbewegungen von
mehr als 360° problemlos
möglich.
Es können beliebige
Rotationsbewegungen einer Welle einstellbar abgebremst oder gedämpft werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Welle bezüglich
der Lagerung zusätzlich axial
verschiebbar. Somit kann die Welle sowohl eine Drehbewegung als
auch eine axiale Verschiebung bezüglich der Lagerung durchführen. Die
Anordnung bietet die Möglichkeit
gleichzeitig Drehbewegungen als auch lineare Bewegungen mit nur
einer einzigen Anordnung zu dämpfen.
Dies eröffnet
vielfältige
Möglichkeiten
zur Dämpfung
von mechanischen Bewegungen, vorzugsweise im Automobilbereich. So
können
beispielsweise mit mechanisch einfachen Mitteln die Bewegung der
Klappe des Handschuhfaches oder die Schwenkbewe gung eines Haltegriffs
gedämpft
werden. Weiterhin ist es möglich,
die Anordnung dort einzusetzen, wo bisher wesentlich teurere Gasdruckheber
verwendet werden.
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Weiterhin
werden die Probleme gelöst
durch eine Anordnung zur Einstellung einer Reibungskraft, aufweisend
eine Stange, eine Lagerung zur Lagerung der Stange, wobei die Stange
bezüglich
der Lagerung axial verschiebbar ist und eine spiralförmiger Torsionsfeder,
welche um die Stange herumgewickelt ist, um eine einstellbare Reibungskraft
auf die Stange auszuüben,
wobei die Torsionsfeder bezüglich
der Lagerung einstellbar festgehalten wird. Mit solch einer Anordnung
ist es möglich,
auch rein axiale Bewegung einer Stange durch eine einstellbare Reibungskraft
zu dämpfen.
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Bevorzugt
ist die Stange bezüglich
der Lagerung zusätzlich
drehbar. Wie schon oben erläutert
ist auch eine Kombination von Rotations- und Translationsbewegung
gleichzeitig dämpfbar.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Lagerung feststehend und die Welle oder Stange drehbar und/oder
axial verschiebbar. Bei dieser Anordnung wird die Lagerung festgehalten
und die Welle oder Stange kann sich in ihr bewegen.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist die Welle oder Stange feststehend und die Lagerung drehbar und/oder
axial verschiebbar. Bei dieser Ausführungsform wird die Welle oder
Stange festgehalten und die Lagerung samt Reibungseinstellung bewegt
sich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden zur Einstellung der Reibungskraft auf der Welle oder der
Stange zwei Enden der Torsionsfeder gegeneinander verdreht, so dass
sich die Torsionsfeder in ihrem Durchmesser ausdehnt oder zusammenzieht.
Somit erfolgt die Einstellung der Reibungskraft durch eine einfache
Verdrehung der Enden der Torsionsfeder, die auf die Welle oder Stange mit
einer variablen Normalkraft drückt,
so dass bei Bewegung der Welle oder Stange eine Reibungskraft erzeugt
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Lagerung mindestens zwei Lagerkörper, die in oder an einem
Gehäuse
angeordnet sind. Bevorzugt weist die Anordnung weiterhin mindestens
ein, bevorzugt zwei Verstellelemente auf, die mit den Enden der
Torsionsfeder in Eingriff stehen und die zur Verstellung der Torsionsfeder
drehbar angeordnet sind. Die Verstellelemente dienen somit zum Verdrehen
der Enden der Torsionsfeder gegeneinander, wodurch die Reibungskraft
auf der Welle oder der Stange variiert werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Verstellelemente mit den Lagerkörpern verbunden oder mit ihnen
einstückig
ausgebildet. Somit bilden die Verstellelemente mit den Lagerkörpern eine
Einheit, so dass die Torsionsfeder durch ein Verdrehen der Kombination
aus Lagerkörpern
und Verstellelementen gegeneinander eingestellt werden kann. Dies
kann beispielsweise durch manuelles Verdrehen der Lagerkörper erfolgen,
so dass die Einstellung der Dämpfung
schnell und einfach und ohne Werkzeuge erfolgen kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung ist zwischen der Torsionsfeder und der Welle oder
der Stange mindestens eine Lagerschale angeordnet. Die Lagerschale
dient zum einen zur gleichmäßigen Verteilung
der Normalkraft der Torsionsfeder auf die Welle oder der Stange
und zum anderen zur Definition der erzeugten Reibungskräfte. Die
Lagerschale besteht bevorzugt aus einem Material mit einem niedrigen
Reibungsbeiwert, so dass eine Bewegung der Welle oder der Stange
ruckfrei und gleichmäßig durchgeführt werden
kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich die Lagerschale auch zwischen mindestens einem der
Lagerkörper
und der Welle oder der Stange. In dieser Ausführungsform dient die Lagerschale
auch der Verbesserung der Gleitlagerung der Welle oder der Stange
in dem Lagerkörper. Weiterhin
muss der Lagerkörper
nicht aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften bestehen,
wodurch Materialkosten eingespart werden können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht die Torsionsfeder aus einem Draht mit quadratischem oder
rechteckigem Querschnitt. Somit bilden die Windungen der Torsionsfeder
quasi eine durchgängige
zylindrische Innenfläche,
welche auf die Welle oder die Stange eine Normalkraft besonders
gleichmäßig aufbringt.
Somit wird ein Verschleiß der
Torsionsfeder sowie der Welle oder der Stange vermieden. Weiterhin
ist die Reibungskraft ist sehr genau definierbar, da die gesamte
Innenfläche der
Torsionsfeder besonders gleichmäßig auf
Welle oder Stange drückt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Stange einen eckigen, bevorzugt quadratischen oder sechs-
oder achteckigen Querschnitt auf. Die Stange kann nicht nur einen
runden Querschnitt aufweisen, sondern wenn gewünscht und beispielsweise keine
Rotationsbewegung vorgesehen sein soll, einen eckigen Querschnitt
aufweisen. Je nach Querschnitt der Stange werden dann die Lagerschalen
entsprechend ausgebildet.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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1 eine
dreidimensionale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Einstellung einer Reibungskraft im zusammengebauten Zustand;
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2 eine
dreidimensionale Explosionsansicht der Anordnung der 1 und
einem Gehäuse, samt
Deckel;
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3 eine
dreidimensionale Ansicht einer Welle oder Stange samt zwei Lagerschalen
einer ersten Ausführungsform;
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4 eine
dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Welle oder
Stange mit eckigem Querschnitt samt zwei passenden Lagerschalen;
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5 eine
dreidimensionale Ansicht eines Lagerkörpers und eines damit verbundenen
Verstellelementes;
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6 eine
dreidimensionale Ansicht einer Torsionsfeder;
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7 eine
dreidimensionale Ansicht eines zylindrischen Gehäuses; und
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8 einen
scheibenförmigen
Deckel, zum Verschließen
des Gehäuses
aus 7.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
eine Anordnung 1, welche zur Einstellung einer Reibungskraft
auf einer Welle 10 oder einer Stange 20 eingesetzt
werden kann. Die Anordnung 1 umfasst eine Welle 10 oder
eine Stange 20, einen ersten Lagerkörper 30, einen zweiten
Lagerkörper 32,
ein erstes Verstellelement 60, ein zweites Verstellelement 62,
eine Torsionsfeder 40 sowie zwei Lagerschalen 70 und 72.
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Die
Lagerkörper 30, 32 dienen
zur Lagerung der Welle 10 oder der Stange 20,
die hier als eine Welle 10 oder Stange 20 mit
rundem Querschnitt dargestellt ist. In dieser Ausführungsform
kann die sich Welle 10 oder Stange 20 sowohl in
den Lagerkörper 30, 32 drehen,
wie durch den Pfeil 80 angedeutet, als auch axial verschieben,
wie durch den Pfeil 85 angedeutet.
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Die
Torsionsfeder 40, die auch in 6 dargestellt
ist, hat einen inneren Durchmesser, der sich dadurch variieren lässt, dass
Enden 42, 44 gegeneinander verdreht werden. Die
Torsionsfeder 40 zieht sich damit quasi zusammen oder dehnt
sich aus.
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Das
erste Ende 42 der Torsionsfeder 40 wird durch
eine axial abstehende Gabel 64 des ersten Verstellelementes 60 ergriffen.
In gleicher Weise wird das zweite Ende 42 der Torsionsfeder 40 von
einer Gabel 64 (in 1 nicht
dargestellt) des zweiten Verstellelementes 62 ergriffen.
Die Verstellelemente 60, 62 können somit die Enden 42, 44 der
Torsionsfeder 40 gegeneinander verdrehen, wodurch der Durchmesser
der Torsionsfeder 40 eingestellt wird. Die Verstellelemente 60, 62 selbst
können
beispielsweise von Hand oder durch mechanische, elektrische, pneumatische,
hydraulische oder andere geeignete Einrichtungen (nicht dargestellt)
bewegt werden.
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In 1 sind
weiterhin zwei Lagerhälften 70, 72 dargestellt,
die zwischen Torsionsfeder 40 und Welle 10 oder
Stange 20 angeordnet sind. Sie sind bevorzugt aus einem
Material mit geeigneten Reibungseigenschaften hergestellt. Geeignete
Materialen sind beispielsweise thermoplastische Kunststoffe (PA,
POM, PEEK, PI, PBT), welche wenn gewünscht einen Glasfaseranteil
zur Festigkeitserhöhung
oder einen Anteil an PTFE oder SO2 zur Verbesserung
der Gleiteigenschaften aufweisen. Die Lagerschalen könnten aber
auch aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer, Stahl oder Bronze
hergestellt werden, die wenn gewünscht
mit einer PTFE-Beschichtung versehen sein können.
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Wie
in 3 dargestellt, weisen die Lagerschalen 70, 72 bevorzugt
an einem Ende ein Bund 74 bzw. 75 auf, der ein
axiales Verschieben der Lagerschalen 70, 72 verhindert.
Es ist ebenfalls möglich, dass
die Lagerschalen 70, 72 an beiden Enden einen Bund 74, 75 aufweisen.
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3 zeigt
eine Welle 10 oder Stange 20 mit kreisförmigem Querschnitt,
wodurch die Welle 10 oder die Stange 20 sowohl
axial bewegbar, als auch drehbar gelagert ist.
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In 4 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
dargestellt, bei der die Welle 10' oder Stange 20' einen quadratischen
Querschnitt aufweist, so dass sie sich bezüglich der darauf angepassten
Lagerschalen 70', 72' nicht drehen
aber axial verschieben kann. Trotzdem könnte auch mit einer Welle 10' oder Stange 20' mit quadratischen
Querschnitt eine Drehbewegung ermöglichst werden, wenn die Lagerschalen 70', 72' ihrerseits
in den Lagerkörpern 30, 32 drehbar
gelagert sind. Sind die Lagerschalen 70', 72' bezüglich der Lagerkörper 30, 32 drehfest
gehalten, lässt
sich die Welle 10' oder
Stange 20' lediglich
gedämpft
axial verschieben.
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Die
Lagerschalen 70, 72 werden durch die Torsionsfeder 40 auf
die Oberfläche
der Welle 10 oder Stange 20 gedrückt. Folglich
wird eine Normalkraft, also eine Kraft senkrecht zur gewünschten
Bewegungsrichtung der Welle 10 oder Stange 20,
erzeugt. Diese Normalkraft bewirkt bei einer gewünschten Bewegung der Welle 10 bzw.
Stange 20 eine dieser Bewegung entgegen gerichtete Reibungskraft
mit einem Betrag, welcher proportional zu der aufgebrachten Normalkraft
ist (FR = μ × FN).
Dabei kann sowohl eine Rotationsbewegung der Welle 10 als
auch eine Translationsbewegung der Stange 20 gedämpft werden.
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Die
Dämpfung
ist durch ein Verändern
der Normalkraft einstellbar. Die Normalkraft wird durch eine Durchmesserveränderung
der Torsionsfeder 40 verändert, wobei einfach die Enden 42, 44 der
Torsionsfeder 40 gegeneinander oder zueinander verdreht
werden müssen.
Dabei wirkt die Torsionsfeder 40 gleichmäßig über alle
Windungen auf die Welle 10, Stange 20 bzw. die
Lagerschalen 70, 72.
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In 5 ist
dargestellt, dass die Lagerkörper 30, 32 bevorzugt
mit den Verstellelementen 60, 62 verbunden sind,
oder mit ihnen einstückig
ausgebildet sind. Die Lagerkörper
sind zylinderförmige
Elemente mit einer geeigneten Öffnung
zur Aufnahme der Welle 10 oder Stange 20. Sie
bevorzugt innerhalb eines Gehäuses 70 oder
eines beliebigen anderen Gehäuses
drehbar angeordnet. Dann lässt
sich die Torsionsfeder 40 durch eine Verdrehung der Lagerkörper 30, 32 in
ihrem Durchmesser einstellen, um so die Reibungskraft auf der Welle 10 oder
der Stange 20 zu verändern.
Nach dieser Einstellung werden die Lagerkörper 30, 32 geeignet
fixiert, beispielsweise indem eine zweite Gehäusehälfte oder ein Gehäusedeckel
auf das Gehäuse
aufgeschraubt wird, welche oder welcher eine ungewollte Verdrehung
der Lagerkörper 30, 32 verhindert.
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Weiterhin
dienen die Verstellelemente 60, 62 dazu, die Torsionsfeder 40 festzuhalten,
damit die erzeugte Reibungskraft in die Lagerkörper 30, 32 und damit
in das Gehäuse 50 eingeleitet
werden kann.
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Ein
beispielhaftes Gehäuse 50 sowie
ein dazu passender Gehäusedeckel 52 sind
in den 6 und 7 dargestellt. Das Gehäuse 50 weist
bevorzugt eine zylindrische Form auf, mit einer zylindrischen inneren Öffnung 55,
in die die Anordnung 1 gemäß 1 axial
hineingeschoben werden kann. Der Durchmesser der Öffnung 55 ist
bevorzugt so ausgebildet, dass sich die Lagerkörper 30, 32 nicht
ungewollt gegeneinander verdrehen können. Dies lässt sich
beispielsweise dadurch erzielen, dass eine leichte Presspassung
der Lagerkörper 30, 32 in
der Öffnung 55 gegeben
ist, oder beispielsweise dadurch, dass die Lagerkörper 30, 32 an
ihrer Außenseite
eine Verzahnung (nicht dargestellt) aufweisen, die mit einer Verzahnung
(nicht dargestellt) an der Innenseite der Öffnung 55 korrespondiert.
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Zur
Montage der Anordnung gemäß 1 in dem
Gehäuse 50 wird
zunächst
der erste Lagerkörper 30 in
die Öffnung 55 eingeführt, dann
der zweite Lagerkörper 32 gegenüber dem
Gehäuse 50 so
lange verdreht, bis der gewünschte
Reibungseffekt erzielt wird, und dann der zweite Lagerkörper 32 in
die Öffnung 55 eingeführt. Danach
wird das Gehäuse 50 mit
einem Deckel 52 gemäß 7 verschlossen. Dazu
werden bevorzugt Schrauben oder ähnliche Befestigungsmittel
in die Öffnungen 56 und 57 eingeschraubt.
Andere Befestigungsmöglichkeiten,
wie Klipse etc., um den Deckel 52 am Gehäuse 50 zu
fixieren sind natürlich
möglich.
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Zur
Befestigung des Gehäuses 50 an
dem gewünschten
Gegenstand kann dieses mit Befestigungslaschen 54 ausgestattet
sein. Der Deckel 52 weist bevorzugt eine geeignete Durchgangsöffnung 58 auf,
durch die die Welle 10 oder die Stange 20 hindurchtreten
können.
Weiterhin können
an dem Deckel 52 Montageelemente 59 vorgesehen
sein, um das Gehäuse 50 samt
Deckel 52 an dem gewünschten
Gegenstand zu montieren.
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Eine
erfindungsgemäße Anordnung 1 kann dazu
verwendet werden, jegliche Arten von Rotationsbewegungen oder axialen
Bewegungen zweier Elemente zueinander mittels einer einstellbaren
Reibungskraft abzubremsen oder zu dämpfen. So könnten beispielsweise die Lagerkörper 30, 32 am
Armaturenbrett eines Kraftfahrzeuges befestigt sein, und die Stange 20 an
dem Deckels eines Handschuhfaches. Mit dieser Anordnung kann sich
Handschuhfach nicht plötzlich öffnen, sondern
mit einer gedämpften,
langsamen Bewegung, so dass Verletzungen vermieden werden.
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Die
Anordnung 1 könnte
auch in jede andere Art von Gelenken eingebaut werden, um solch
eine gedämpfte
Bewegung hervorzurufen. Dies könnten beispielsweise
die Drehgelenke eines Handbremshebels oder von Pedalen sein und
auch die Drehgelenke von klappbaren Haltegriffen oder Sonnenblenden.
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Die
Dämpfung
einer Linearbewegung durch eine Anordnung 1 könnte auch
bei der Höhenverstellung
von Kopfstützen
in einem Kraftfahrzeugsitz Verwendung finden. Weiterhin können die
Deckel von Armlehnen oder anderen Ablagen gedämpft geöffnet und geschlossen werden.
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Durch
die unbegrenzte Drehmöglichkeit
oder Verschiebemöglichkeit
der Welle 10 oder der Stange 20 können sich
selbstverständlich
weitere Anwendungsfälle
im Automobilbaubereich oder in anderen Anwendungsgebieten ergeben.
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- 1
- Anordnung
- 10
- Welle
- 20
- Stange
- 30
- erster
Lagerkörper
- 32
- zweiter
Lagerkörper
- 40
- Torsionsfeder
- 42
- erstes
Ende
- 44
- zweites
Ende
- 50
- Gehäuse
- 52
- Gehäusedeckel
- 54
- Lasche
- 55
- Öffnung
- 56
- Bohrung
- 57
- Bohrung
- 58
- Durchgangsöffnung
- 59
- Montageelement
- 60
- erstes
Verstellelement
- 62
- zweites
Verstellelement
- 64
- Gabel
- 70
- erste
Lagerschale
- 72
- zweite
Lagerschale
- 74,75
- Bund
- 80,
85
- Pfeil