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Die
Erfindung betrifft einen Drehverbinder zur Verbindung eines stationären Bauteils über ein flexibles
Kabel mit einem um eine Drehachse drehbaren Bauteil, mit einer mit
dem drehbaren Bauteil bewegungsstarr verbindbaren ersten Kabelhalterung, mit
einer mit dem stationären
Bauteil bewegungsstarr verbindbaren, über das Kabel mit der ersten
Kabelhalterung verbundenen zweiten Kabelhalterung, mit einem Kabelspeicher
zum Aufnehmen eines zwischen den Kabelhalterungen befindlichen Kabelabschnitts,
dessen Länge
von der Drehstellung der ersten Kabelhalterungen abhängig ist,
mit einer Wickeleinheit zum Auf- und Abwickeln des im Kabelspeicher
aufgenommenen Kabelabschnitts und mit einer Getriebeeinrichtung,
mittels der eine vom drehbaren Bauteil ausgehende Drehbewegung mit
einer Drehbewegung der Wickeleinheit gekoppelt ist, wobei die Getriebeeinrichtung
eine an der Wickeleinheit ausgebildete erste Verzahnung und eine
mit der ersten Kabelhalterung bewegungsstarr verbundene zweite Verzahnung
umfasst.
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Drehverbinder
der genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden
beispielsweise im Automobilbau eingesetzt, um das Lenkrad bzw. die
Lenksäule
eines Kraftfahrzeugs über
ein Kabel mit dem Fahrzeugchassis zu verbinden. Die Verkabelung
zwischen solchen relativ zueinander drehbaren Teilen ist nötig, um
Signale von den im Lenkrad angeordneten Komponenten, wie beispielsweise
dem Betätigungsschalter
der Fahrzeughupe, dem Airbag oder dem Lautstärkeregler des Radios, an zugehörige Komponenten
im Fahrzeugchassis, wie die Airbagkontrollleuchte, die Fahrzeughupe
oder das Radio, zu übertragen.
Da bei modernen Kraftfahrzeugen immer mehr Komponenten im oder am
Lenkrad angeordnet sind, müssen
viele Steuer- bzw. Versorgungssignale über einen oder mehrere Drehverbinder übertragen
werden.
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Eine
Alternative zu den oben genannten Drehverbindern sind Schleifringverbindungen,
bei denen die Signale nicht über
ein Kabel, sondern von einer Kontaktspur an einem Bauteil auf einen
Schleifkontakt am anderen Bauteil übertragen wird. Die Signalübertragung
ist im Gegensatz zu Drehverbindern nicht auf eine maximale Relativbewegung
zwischen den Bauteilen begrenzt. Allerdings ist es bei Schleifringverbindungen
problematisch, dass mit zunehmender Einsatzdauer die Zuverlässigkeit
der Signalübertragung,
beispielsweise durch Korrosion des Schleifkontakts oder der Kontaktspur,
sinken kann und sie relativ teuer sind. Daher werden Drehverbinder
bevorzugt, wenn die Relativbewegung zwischen den zu verbindenden
Bauteilen begrenzt ist.
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In
der
EP 1 056 166 B1 ist
ein bekannter Drehverbinder beschrieben, der ein festes und ein drehbares
Gehäuseteil
umfasst, die über
ein zwischen den Gehäuseteilen
aufgewickeltes Kabel verbunden sind.
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Ein
weiterer Drehverbinder ist in der
DE 195 49 747 B4 beschrieben, bei dem ein
zu einer Wickelfeder ausgebildetes Kabel einen Lenkstock mit einem
Fahrzeugchassis verbindet.
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In
der
DE 4111699 C2 ist
eine Übertragungsvorrichtung
beschrieben, mit einem Stator und mit einem Rotor, der in dem Stator
um eine Achse drehbar angeordnet ist. Ein um die gleiche Achse wie
der Rotor drehbares Zwischenglied in einem Raum zwischen dem Rotor
und dem Stator wird durch ein Getriebe in der gleichen Richtung
wie der Rotor angetrieben.
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In
der
DE 43 01 248 A1 ist
eine elektrische Verbindungseinrichtung beschrieben, die ein erstes und
ein zweites Kabelwickelelement aufweist. Dabei sind das erste und
das zweite Kabelwickelelement so angeordnet, dass ihre jeweiligen
Zentren gegenseitig beabstandet sind. Ein ähnliche Vorrichtung ist in
der
DE 43 43 967 A1 beschrieben,
die zusätzlich
ein Hilfsdrehteil um das stationäre
Teil aufweist.
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In
der
DE 19 537 628
A1 ist eine Vorrichtung zum übertragen von Signalen beschrieben,
bei der als Leiter ein Lichtwellenleiter verwendet wird.
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Nachteilig
ist bei diesen bekannten Drehverbindern, dass sich das Kabel durch
das drehende Bauteil in Schlaufen legt und verwirren kann, so dass die
Funktion der Drehverbinder nicht mehr gewährleistet ist.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Drehverbinder
bereitzustellen, dessen Funktionssicherheit gegenüber den bekannten
Drehverbindern verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Drehverbinder dadurch gelöst, dass
der Kabelspeicher die zweite Kabelhalterung umgibt, die Wickeleinheit
um die zweite Kabelhalterung drehbar ist und die erste Verzahnung
im Eingriff mit der zweiten Verzahnung ist.
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Diese
erfindungsgemäße Lösung ist
konstruktiv einfach und hat den Vorteil, dass das Kabel im eingebauten
Zustand des Drehverbinders zwischen den zu verbindenden Bauteilen
immer schlaufenfrei ist, weil die Wickeleinheit das Kabel automatisch
im Kabelspeicher aufwickelt. So kann das Kabel zwischen den Bauteilen
sicher und ohne zusätzliche Kabelführungen
oder Kabelkanäle
geführt
werden.
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Durch
die Getriebeeinrichtung wird die Drehbewegung im eingebauten Zustand
vom drehenden Bauteil auf die Wickeleinheit übertragen, so dass am stationären Bauteil
kein zusätzlicher
Antrieb, wie z.B. ein separater Motor, nötig ist. Weiterhin hat die
Kopplung durch die Getriebeeinrichtung den Vorteil, dass die Drehbewegung
der Wickeleinheit nicht separat gesteuert werden muss.
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Der
erfindungsgemäße Drehverbinder
kann durch verschiedene, voneinander unabhängige, jeweils für sich vorteilhafte
Ausgestaltungen weiter entwickelt werden. Auf diese Ausgestaltungen
und die mit den Ausgestaltungen jeweils verbundenen Vorteile wird
im Folgenden kurz eingegangen.
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So
kann die Getriebeeinrichtung als ein die erste Kabelhalterung und
die Wickeleinheit verbindendes Zahnradgetriebe ausgestaltet sein.
Das Zahnradgetriebe hat den Vorteil, dass es leicht herstellbar
und montierbar ist. Alternativ kann die Getriebeeinrichtung beispielsweise
auch als ein Zugmitteltrieb ausgebildet sein.
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Um
die speicherbare Kabellänge
im Kabelspeicher zu erhöhen,
kann die Wickeleinheit so ausgebildet sein, dass das Kabel außerhalb
und innerhalb der Wickeleinheit aufnehmbar ist. Die Wickeleinheit
kann dabei um eine Wickelachse drehbar sein und diese Wickelachse
in der Umfangsrichtung wenigsten zur Hälfte, vorzugsweise wenigstens
zu Dreivierteln, umschließen.
Die Wickeleinheit ist beispielsweise als ein Rohrabschnitt ausgebildet,
der sich in seiner Umfangsrichtung um die Wickelachse dreht und
der in der Umfangsrichtung eine Öffnung
aufweist. Durch die Öffnung
verläuft
das Kabel zwischen den beiden Kabelhalterungen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Wickeleinheit wenigstens
ein Umlenkmittel zum Lenken des Kabels beim Aufwickeln aufweisen,
wobei das Umlenkmittel so ausgeformt ist, dass ein zulässiger Knickradius
des Kabels beim Aufwickeln nicht unterschritten wird. So wird ein
Beschädigung
des Kabels durch unzulässiges
Knicken verhindert.
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Um
dem erfindungsgemäßen Drehverbinder konstruktiv
besonders einfach und störungsunanfällig auszubilden,
können
der Kabelspeicher und die Kabelhalterungen so angeordnet sein, dass
das Kabel zwischen den Kabelhalterungen in der gleichen Ebene verläuft. Bei
dieser Ausführungsform
verlaufen zwei Wickelebenen, in denen das Kabel im Kabelspeicher
und um die drehbare Kabelhalterung aufgewickelt wird, in einer gemeinsamen
Ebene. Alternativ können
der Kabelspeicher und die Kabelhalterungen so angeordnet sein, dass
das Kabel in unterschiedlichen Wickelebenen verläuft. So kann der erfindungsgemäße Drehverbinder
optimal an einen zur Verfügung
stehenden Bauraum angepasst werden. Die beiden Wickelebenen können beispielsweise rechtwinklig
aufeinander stehen und die Drehbewegung kann über ein Kegelradgetriebe übertragen werden.
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Zur Übertragung
von elektrischen Steuer- oder Versorgungssignalen kann das Kabel
als ein elektrischer Leiter ausgebildet sein. Alternativ kann das
Kabel auch als ein optischer Leiter ausgebildet sein, der optische
Signale zwischen den zu verbindenden Bauteilen überträgt.
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Neben
dem Drehverbinder in den verschiedenen oben genannten vorteilhaften
Ausführungsformen,
betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Führen eines flexiblen Kabels
eines Drehverbinders von einem stationären Bauteil zu einem sich um
eine Drehachse drehenden Bauteil. Bei dem Verfahren wird das Kabel
abschnittsweise um die Drehachse gewickelt und abschnittsweise von
einer drehend angetriebenen Wickeleinheit in einem stationären Kabelspeicher
auf- oder abgewickelt. Die Wickeleinheit wird von dem drehenden
Bauteil mit gleicher Drehrichtung angetrieben. Das Verfahren hat
den Vorteil, dass das Kabel zwischen den Kabelspeichern störungsunanfällig geführt wird,
weil das Kabel zwischen den Bauteilen gespannt wird.
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Um
eine große
Kabellänge
mit wenig Bewegung der Wickeleinheit aufzunehmen, kann das Kabel
im zweiten Kabelspeicher innerhalb und außerhalb der Wickeleinheit auf-
oder abgewickelt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
erläutert.
Die unterschiedlichen Merkmale können
unabhängig voneinander
kombiniert werden, wie dies oben bei den einzelnen vorteilhaften
Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehverbinders.
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Zunächst wird
der allgemeine Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehverbinders 1 mit
Bezug auf die 1 und der darin dargestellten
beispielhaften Ausführungsform
beschrieben.
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Der
Drehverbinder 1 umfasst ein drehbares Rotorelement 2,
einen stationären
Kabelspeicher 3 und ein flexibles Kabel 4, das
zwischen dem Rotorelement 2 und dem Kabelspeicher 3 verläuft.
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Das
Rotorelement 2 ist als ein rotationssymmetrischer Hohlzylinder
ausgebildet, an dem ein Flansch 5' mit einer Flanschfläche 5 ausgeformt
ist. In axialer Richtung, längs
einer Drehachse D weist das Rotorelement 2 eine zylindrische
Aufnahmeöffnung 6 auf.
An der Außenumfangsfläche 7 umfasst das
Rotorelement 2 eine erste Kabelhalterung 8, die als
ein in der Umfangsrichtung verlaufender Bügel ausgebildet ist. Der Flansch 5' verläuft im Wesentlichen
radial nach außen
und weist einen Außendurchmesser 9 auf.
Eine Stirnverzahnung 37 ist am Außenumfang des Flansches 5' ausgebildet.
An der Außenumfangsfläche 7 ist
das Rotorelement 2 mit einem Außendurchmesser 10 und
die Aufnahmeöffnung 6 ist
mit einem Innendurchmesser 11 ausgebildet.
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Wie
in 1 dargestellt, ist das Kabel 4 zum Fixieren
am Rotorelement 2 durch die bügelförmige erste Kabelhalterung 8 hindurchgeführt. Zwischen der
ersten Kabelhalterung 8 und der Flanschfläche 5 ist
das Kabel 4 von der axialen Richtung in die Umfangsrichtung
umgeschlagen. Durch eine Drehbewegung des Rotorelements 2 in
einer Drehrichtung 12 ist das Kabel 4 um die Außenumfangsfläche 7 spiralförmig auf-
bzw. abwickelbar.
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Die
Aufnahmeöffnung 6 ist
bei der Ausführungsform
der 1 und 2 so ausgeformt,
dass das Rotorelement 2 an einer drehbaren Welle 13,
beispielsweise einer Lenksäule
in einem Kraftfahrzeug, bewegungsstarr befestigt werden kann. Die
Wellen-Nabeverbindung zwischen der Welle 13 und dem Rotorelement 2 kann
in jeder bekannten Weise ausgebildet werden, wie z.B. als Schrumpfpassung, Passfederverbindung,
Keilverzahnung, Klebeverbindung oder ähnliches. Im Betrieb des Drehverbinders 1 geht
die Drehbewegung in der Drehrichtung 12 von der Welle 13 aus,
die so das verbundene Rotorelement 2 des Drehverbinders 1 antreibt.
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Der
Kabelspeicher 3 ist vom Rotorelement 2 sowie der
Welle 13 beabstandet und weist einen inneren Zylinderstumpf 14 mit
einer zweiten Kabelhalterung 15 und einer Wickeleinheit 38 auf.
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Der
Zylinderstumpf 14 ist als ein Kreiszylinder mit einem Flansch 43 ausgebildet.
Oberhalb des Flansches 43 weist der Zylinderstrumpf 14 eine
Höhe 18 und
einem Außendurchmesser 19 auf.
Die Höhe 18 ist
im Wesentlichen gleich oder größer als
die Breite 20 des Kabels 4. An der Umfangsfläche des Zylinderstumpfes 14,
oberhalb des Flansches 43 ist die zweite Kabelhalterung 15 ausgebildet.
Die Ausgestaltung der zweiten Kabelhalterung 15 ent spricht im
Wesentlichen der Ausgestaltung der ersten Kabelhalterung 8,
außer
dass die zweite Kabelhalterung 15 quer und nicht längs zur
Umfangsrichtung angeordnet ist. Ähnlich
wie bei der ersten Kabelhalterung 8, ist das Kabel 4 an
der zweiten Kabelhalterung 15 fixiert. Der Zylinderstumpfes 14 ist
rotationssymmetrisch um eine Wickelachse S ausgebildet.
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Die
bewegliche Wickeleinheit 38 ist relativ zum Zylinderstrumpf 14 und
zur zweiten Kabelhalterung 15 um die Wickelachse S beweglich
ausgebildet. Die Wickeleinheit 38 umfasst einen beweglichen Rahmen 39 und
eine radial über
den Rahmen 39 hinausragende Stirnverzahnung 40.
Die Stirnverzahnung 40 ist mit der Stirnverzahnung 37 des
Flansches 5' im
Eingriff. Die Wickeleinheit 38 ist beispielsweise mittels
eines Wälzlagers
(nicht dargestellt) mit dem Zylinderstumpf 14 drehbar verbunden.
Der Rahmen 39 ist als ein dünnwandiger Rohrstumpf ausgebildet,
der in der Umfangsrichtung eine Öffnung 25 aufweist.
Durch die Öffnung 25 verläuft das
Kabel 4 vom Kabelspeicher 3 zum Rotorelement 2.
Die Öffnung 25 ist
in der Umfangsrichtung von einer Rolle 41 und einer halbrunde
Kufe 42 eingegrenzt.
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Der
Flansch 43 erstreckt sich in radialer Richtung quer zur
Wickelachse S, wobei zwischen dem stationären Flansch 43 und
dem beweglichen Rahmen 39 ein Spalt ausgebildet ist.
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Der
Rahmen 39 ist bei der Ausführungsform der 1 beispielsweise
aus einem dünnen
Metallblech oder als eine dünne
Kunststoffwand hergestellt, das bzw. die den Zylinderstumpf 14 im
Wesentlichen konzentrisch umgibt. Die Höhe des Rahmens 39 ist
im Wesentlichen gleich mit der Höhe 18 des
Zylinderstumpfes 14. Der Rahmen 39 weist einen
Innendurchmesser 21 auf, der größer als der Durchmesser 19 des
Zylinderstumpfes 14 ist, so dass zwischen dem Zylinderstumpf 14 und
dem Rahmen 39 ein innerer Speicherbereich 22 zum
Aufnehmen von Kabel ausgebildet ist. In 1 ist der
Zylinderstrumpf 14 beispielsweise mit einer stationären Platte 24 bewegungsstar
verbunden, zu der die Welle 13 relativ drehbar ist. Die
Platte 24 kann z.B. das Chassis eines Fahrzeugs sein. Der
Zylinderstumpf 14 kann auf jede beliebige Weise mit der
Platte 24 verbunden sein.
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Das
Kabel 4 des Drehverbinders 1 ist bei der Ausführungsform
der 1 und 2 als ein Flachbandkabel
oder Flachleiter ausgebildet, der mehrere parallel zueinander verlaufende
Adern 30 aufweist. Die Adern 30 sind jeweils von
einem Isoliermaterial, beispielsweise einem Kunststoff umgeben,
der sie gleichzeitig miteinander verbindet. An den beiden Kabel halterungen 8, 15 ist
das Kabel 4 am Kabelspeichern 3 und am Rotorelement 2 fixiert.
Die beiden Enden des Kabels 4 sind jeweils von den Kabelhalterungen 8, 15 beabstandet.
An den Kabelenden können
Steckverbinder angeordnet sein, um das Kabel 4 an die beiden
zu verbindenden Bauteilen 13, 24 anzuschließen. Das
Kabel 4 kann sowohl ein elektrischer Leiter als auch ein
optischer Leiter sein, der Steuer- und Versorgungssignale zwischen
den beiden Bauteilen 13, 24 überträgt.
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Mit
der ersten Kabelhalterung 8 ist das Kabel 4 an
dem Rotorelement 2 fixiert, so dass das Kabel 4 durch
die Drehbewegung der Welle 13 auf- bzw. abgewickelt wird.
Beim Aufwickeln auf das Rotorelement 2 wird das Kabel 4 spiralförmig um
die Außenumfangsfläche 7 gewickelt.
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Bei
dem Drehverbinder 1 ist eine Ebene E1, in der das Kabel 4 im
Kabelspeicher 3 aufgewickelt wird, gleich mit einer Ebene
E2, in der das Kabel 4 um das Rotorelement 2 aufgewickelt
wird. So verläuft das
Kabel 4 bei der Ausführungsform
der 1 zwischen den beiden Kabelhalterungen 8, 15 in
der gleichen Ebene E1, E2. Die Flanschfläche 5 verläuft dabei
innerhalb der Ebene E2, die Flanschfläche 43 innerhalb der
Ebene E1.
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Bei
einer relativen Drehbewegung der beiden Kabelhalterungen 8, 15 wickelt
die Wickeleinheit 38 des Drehverbinders 1 das
Kabel 4 um die Wickelachse S auf bzw. ab.
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Bei
der Drehbewegung des Rotorelementes 2 in der Drehrichtung 12 wird
die Wickeleinheit 38 in einer Drehrichtung 44 angetrieben,
da die Stirnverzahnung 37 des Flansches 5' mit der Stirnverzahnung 40 der
Wickeleinheit 38 im Eingriff ist. Durch die Drehbewegung
um die Wickelachse S in der Drehrichtung 44, in der auch
der bewegliche Rahmen 39 mit seiner Öffnung 25 bewegt wird,
wird das Kabel 4 um den Zylinderstumpf 14 gewickelt.
An der rotierende Öffnung 25 wird
das Kabel 4 in einer Schlaufe um die Rolle 41 bzw.
die Kufe 42 gelegt. Von der zweiten Kabelhalterung 15 gesehen
außerhalb
der Öffnung 25 wird
das Kabel 4 um die Außenumfangsfläche 45 des
beweglichen Rahmens 39 gewickelt. Die Verzahnungen 37, 40 und
der Außendurchmesser 46 der Außenumfangsfläche 45 sind
so ausgelegt, dass die auf- oder abgewickelte Länge des Kabels 4 am
Rotorelement 2 der auf- bzw.
abgewickelten Länge
am Kabelspeicher 3 im Wesentlichen entspricht. Die aufgewickelten
Kabellängen
in dem Kabelspeicher 3 und am Rotorelement 2 werden
beim Drehen der Welle 13 umgekehrt proportional zueinander
verändert.
Die Rolle 41 sowie die Kufe 42, die mit einem Radius
R1 bzw. R2 ausgebildet sind, begrenzen einen minimalen Knickradius
des Kabels 4, so dass ein Beschädigen des Kabels 4 beim
Aufwickeln ausgeschlossen ist. Die Radien R1 und R2 sind größer als ein
minimal zulässiger
Knickradius des Kabels 4.