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Die
Erfindung betrifft einen Elektrischer Drehverbinder zur Verbindung
eines stationären
Körpers,
wie beispielsweise einem Chassis eines Fahrzeugs, über ein
flexibles Kabel mit einem drehbaren Körper, wie beispielsweise einem
Lenkrad des Fahrzeugs, mit einer mit dem stationären Körper bewegungsstarr koppelbaren
ersten Kabelhalterung, mit einer mit dem drehbaren Körper bewegungsstarr koppelbaren,
um eine Drehachse drehbaren, über das
Kabel mit der ersten Kabelhalterung verbundene zweite Kabelhalterung
und mit einem im Bereich der ersten Kabelhalterung ausgebildeten
Kabelspeicher, in dem ein zwischen den Kabelhalterungen befindlicher
erster Kabelabschnitt mit einer konstanten Anzahl von Wicklungen
um eine Wickelachse herum aufgenommen ist, wobei ein zwischen den
Kabelhalterungen befindlicher zweiter Kabelabschnitt um die Drehachse
herum spiralförmig
aufwickelbar, die Länge
des im Kabelspeicher aufgenommenen ersten Kabelabschnitts von der
Drehstellung der zweiten Kabelhalterung abhängig und die Drehachse von
der Wickelachse beabstandet ist.
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Drehverbinder
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 Airbag-Kontrollleuchte, 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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In
der
EP 105 6 166 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 43 43 967 A1 ist
eine Steckverbindervorrichtung für
ein flexibles Kabel beschrieben. Diese umfasst ein Gehäuse mit
zwei darin befindlichen Kammern, wobei die erste der beiden Kammern ein
Drehteil beinhaltet und die zweite Kammer ein stationäres Teil
aufnimmt. Ein flexibles Kabel ist mit einem Ende an dem Drehteil
und einem anderen Ende an dem stationären Teil befestigt und mehrere Male
um beide Teile herum gewickelt. Zwischen den Windungen des Kabels
um den stationären
Teil ist eine Elastizitätskraft-Hilfseinrichtung
angeordnet, welche sich an einem um den stationären Teil angeordneten Hilfsdrehteil
abstützt.
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Die
DE 41 11 699 C2 beschreibt
eine Übertragungsvorrichtung
mit einem Stator und einem konzentrisch im Stator drehbar gelagerten
Rotor, zwischen denen ein flexibler elektrischer Leiter angeordnet
ist, der mit einem Ende am Stator und mit einem anderen Ende am
Rotor befestigt ist. Zwischen Stator und Rotor ist ein ringförmiges,
einseitig geöffnetes Zwischenglied
angeordnet, das über
ein Getriebe mit dem Rotor gekoppelt ist und in der gleichen Richtung mit
einem vorbestimmten Untersetzungsverhältnis drehbar ist. Der flexible
Leiter ist um das Zwischenglied und um eine auf dem Zwischenglied
drehbar gelagerte Führungsrolle
geführt.
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In
der
US 5,928,018 A ist
ein Drehverbinder mit zwei koaxial angeordneten Teilen beschrieben, zwischen
denen ein flexibles Kabel aufgewickelt ist, welches mit seinen Enden
jeweils an den beiden Teilen befestigt ist. Einer der Teile bildet
ein statisches Gehäuse
und der andere Teile eine drehbare Nabe, auf die ein Rotor montiert
ist. Die Nabe und das Gehäuse
sind mit Zahnkränzen
versehen, zwischen denen ein Ritzel angeordnet ist, welches die
Drehbewegungen der Nabe unter einem bestimmten Übersetzungsverhältnis mit
dem Gehäuse
koppelt.
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Die
JP 82 22 338 A beschreibt
eine Vorrichtung zum Verbinden rotierender Teile mit einem Kabel.
Das Kabel ist an einem stationären
und einem rotierenden Teil befestigt, welche von einem Riemen umgeben
sind. Der Riemen unterstützt
zwar ein Auf- und Abwickeln des Kabels, jedoch ist er nicht dazu geeignet,
die Drehbewegungen des Kabels und des rotierenden Teils zu koppeln.
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Der
häufig
nur sehr begrenzt zur Verfügung stehende
Einbauraum, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, hat zu der Entwicklung
von Drehverbindern der eingangs genannten Art geführt, bei
denen die Drehachse des drehbaren Bauteils von der Wickelachse des
Kabelspeichers beabstandet ausgebildet ist. So kann der Drehverbinder
an den zur Verfügung
stehenden Einbauraum flexibler angepasst werden, weil die Abmessungen
des Drehverbinders reduziert und durch den separat angeordneten
Kabelspeicher flexibler anpassbar sind.
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Nachteilig
ist allerdings bei den bekannten Drehverbindern der eingangs genannten
Art, dass der Drehverbinder im Betrieb durch eine erhöhte Reibung
der Forderung nach geringem Drehmomentenbedarf entgegenstehen kann.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen dauerhaft leichtgängigen Drehverbinder
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Drehverbinder durch eine
die Drehbewegung der zweiten Kabelhalterung und die Drehbewegung des
zweiten Kabelabschnitts zwangsgeführt koppelnde Wickelvorrichtung
gelöst.
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Diese
erfindungsgemäße Lösung hat
den Vorteil, dass sich der Wicklungsdurchmesser des um die Drehachse
gewickelten zweiten Kabelabschnitts beim Abwickeln nicht vergrößern kann,
wie es bei den bekannten Drehverbindern vorkommt. Aufgeweitete Wicklungen
können
nämlich
beispielsweise außen
an dem Gehäuse
des Drehverbinders reiben und so den Drehverbinder bremsen oder
blockieren. Beim erfindungsgemäßen Drehverbinder
liegen die Wicklungen des zweiten Kabelabschnitts aneinander an.
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Der
erfindungsgemäße Drehverbinder
kann durch verschiedene, voneinander unabhängige, jeweils für sich vorteilhafte
Ausgestaltungen weiterentwickelt werden. Auf diese Ausgestaltungen
und die mit den Ausgestaltungen jeweils verbundenen Vorteile wird
im Folgenden kurz eingegangen.
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So
kann die Wickelvorrichtung die Drehbewegung der zweiten Kabelhalterung
und die Drehbewegung des zweiten Kabelabschnitts im wesentlichen
drehwinkelgleich koppeln. Dies hat den Vorteil, dass sich die aneinander
liegenden Wicklungen des zweiten Kabelabschnitts bei gleichem Drehwinkel
mit der zweiten Kabelhalterung nicht voneinander und nicht von der
Drehachse entfernen können.
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Ferner
kann die Wickelvorrichtung wenigstens ein Getriebemittel aufweisen,
welches die Drehbewegung der zweiten Kabelhalterung mit einer Vorschubbewegung
des Kabels in den Kabelspeicher hinein oder aus dem Kabelspeicher
heraus koppelt. Dies hat den Vorteil, dass das Getriebemittel beim Abwickeln
des zweiten Kabelabschnitts das Kabel in Richtung des Kabelspeichers
bewegt und die Drehbewegung immer zum Transport des Kabels in den Kabelspeicher
hinein oder aus ihm heraus führt.
Die Drehbewegung der zweiten Kabelhalterung ist mit einer Vorschubbewegung
des Kabels synchronisiert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das Getriebemittel
wenigstens eine Verzahnung aufweisen, die mit dem Kabel in Eingriff
ist. So ist das Getriebemittel formschlüssig mit dem Kabel gekoppelt
und die Drehbewegung wird zuverlässig übertragen.
In dem Kabel können
beispielsweise in regelmäßigen Abständen Öffnungen
oder Vertiefungen ausgebildet sein, in welche die Zähne der Verzahnung
eingreifen. Die Verzahnung kann an einem Zahnrad ausgebildet sein.
Anstatt einer Verzahnung kann das Getriebemittel alternativ beispielsweise
auch ein Reibrad aufweisen, das die Drehbewegung kraftschlüssig auf
das Kabel überträgt. Das Reibrad
hat den Vorteil, dass keine Eingriffsöffnungen für die Verzahnung im Kabel ausgebildet
sein müssen,
was die Herstellungskosten senkt. Alternativ kann das Getriebemittel
beispielsweise ein als Zahnriemen ausgebildetes Kabel und eine Zahnriemenscheibe
aufweisen.
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Um
den erfindungsgemäßen Drehverbinder konstruktiv
einfach mit wenigen Einzelteilen auszubilden, kann die Verzahnung
konzentrisch zur Drehachse verlaufen. Durch diese Ausgestaltung
wird die Drehbewegung in die Verzahnung übertragen, ohne dass weitere
Getriebeelemente, wie beispielsweise ein zusätzliches Zahnrad oder ein Zugmittel,
zur Übertragung
der Drehbewegung auf die Verzahnung nötig ist.
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Um
die Übertragung
der Drehbewegung auf das Kabel sicherzustellen, kann der Drehverbinder wenigstens
ein Spannelement aufweisen, welches die Verzahnung und das Kabel
miteinander in Eingriff hält.
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Ferner
kann das Getriebemittel ein mit der Drehbewegung gekoppeltes Zugmittel
aufweisen, welches wenigstens abschnittsweise das Kabel umgibt und
wenigstens abschnittsweise mit dem Kabel im Eingriff ist. Dies hat
den Vorteil, dass das Zugmittel, wie beispielsweise ein Zahnriemen
oder ein Flachriemen, das Kabel im Bereich der ersten Kabelhalterung
außen
umgibt und dadurch gleichzeitig die Windungen aneinander drückt. Diese
Ausgestaltung kann alternativ oder zusätzlich zum oben genannten Zahnrad
eingesetzt werden, das von innen in das Kabel eingreift. Das Zugmittel
kann beispielsweise durch eine Spannrolle mit einer geeigneten Vorspannung
gespannt werden.
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Weiterhin
kann die Wickelvorrichtung ein Vorspannelement aufweisen, das eine
Zugkraft in Richtung des Kabelspeichers auf das Kabel ausübt. So liegen
die Wicklungen des um die Drehachse aufgewickelten Kabels zuverlässig aneinander
an und ein Aufweiten der Wicklungen wird verhindert.
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Um
einen sicheren Eingriff des Zahnrades bzw. der Verzahnung mit dem
Kabel zu gewährleisten,
kann die Wickelvorrichtung wenigstens einen wenigstens abschnittsweise
um die Drehachse verlaufenden Rahmenkörper aufweisen, über den
die Verzahnung wenigstens abschnittsweise radial hinausragt. So
ist das Kabel zwangsgeführt
und kann sich nur im Eingriff mit dem Zahnrad an dem Führungsrahmen
vorbeibewegen.
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Um
zu verhindern, dass sich das um die Drehachse spiralförmig aufgewundene
Kabel beim Abwickeln zu größeren Windungsdurchmessern
aufweitet und möglicherweise
den Drehverbinder blockiert, kann die Wickelvorrichtung wenigstens
ein Verbindungsmittel aufweisen, durch das die aneinander liegenden
Wicklungen des zweiten Kabelabschnitts wenigstens abschnittsweise
miteinander verbindbar sind. Dieses Verbindungsmittel kann beispielsweise
ein Fettfilm sein, der sich zwischen den Kabelwicklungen befindet
und diese mittels Adhäsionskräften aneinander
halt. Alternativ kann das Verbindungsmittel auch als ein mit dem
Kabel verbundenes Magnetband oder Klettband ausgebildet sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Drehverbinder
eine Messeinrichtung aufweisen, durch welche die Kopplung der Drehbewegungen
von der zweiten Kabelhalterung und des zweiten Kabelabschnitts überprüfbar ist.
So kann die Messeinrichtung beispielsweise einen mit der Drehachse
verbundenen Drehgeber und einen die Bewegung des Kabels in Richtung
des Kabelspeichers überwachenden
Wegsensor aufweisen. Der Drehgeber kann beispielsweise ein Inkremental-
oder ein Analogdrehgeber sein, der einen Drehwinkel der Drehachse
bestimmt. Der Wegsensor kann ebenfalls inkremental oder analog ausgebildet
sein und ermitteln, wie viel Kabel in den Kabelspeicher hinein-
bzw. aus dem Kabelspeicher herausbewegt wird. Aus einem Vergleich
der beiden Messsignale, den beispielsweise eine Steuerungseinheit
der Messeinrichtung ausführen
kann, ergibt sich, ob das Kabel durch die Drehbewegung in den Kabelspeicher
bewegt wurde, oder ob sich lediglich der Windungsdurchmesser um
die Drehachse vergrößert hat,
ohne Kabel in den Kabelspeicher zu schieben. Letzteres kann zu einer
Selbsthemmung und einem Blockieren des Drehverbinders führen.
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Neben
dem Drehverbinder mit den verschiedenen oben genannten vorteilhaften
Ausführungsformen
betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugchassis,
einem relativ zum Fahrzeugchassis drehbaren Lenkmittel, wie z. B.
einem Lenkrad, und einem Drehverbinder, durch den das Lenkmittel
und das Fahrzeugchassis elektrisch über ein flexibles Kabel miteinander
verbunden sind. Um ein Blockieren des Drehverbinders zu verhindern,
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Drehverbinder nach einer der oben genannten Ausführungsformen ausgebildet
ist.
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Um
die in dem Drehverbinder verwendete Kabellänge möglichst gering auszubilden,
kann der Drehverbinder so in das Fahrzeug eingebaut sein, dass der
Drehverbinder bei einer Geradeausfahrstellung des Lenkmittels im
Wesentlichen in einer Mittelstellung angeordnet ist, in der der
erste im Kabelspeicher aufgenommene Kabelabschnitt eine maximale Länge aufweist.
Unter der Geradeausfahrstellung des Lenkmittels ist zu verstehen,
dass das Fahrzeug in dieser Stellung geradeaus steuert.
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Bei
einer Lenkbewegung wird das Lenkmittel von der Geradeausstellung
nach rechts bzw. nach links gedreht. Das Lenkmittel dreht also die
zweite Kabelhalterung des Drehverbinders in die eine oder in die
andere Richtung. Durch diese Drehbewegung wird das Kabel im Drehverbinder
in die eine oder die andere Richtung um die Drehachse herum aufgewickelt
und die Kabellänge
im Kabelspeicher reduziert sich gegenüber der Mittelstellung. Beim Überfahren der
Mittelstellung des Drehverbinders wird das Kabel geknickt oder umgelenkt.
Damit das Kabel bei der Lenkbewegung des Fahrzeugs möglichst
selten geknickt wird, kann der Drehverbinder so eingebaut sein,
dass der Drehverbinder bei der Geradeausfahrstellung weniger als
90° von
der Mittelstellung versetzt ausgerichtet ist. Hierdurch kann vermieden
werden, dass bei kleineren Lenkbewegungen um die Mittelstellung
herum ein Knicken durch eine Änderung der
Biegerichtung des Kabels erfolgt. Da davon auszugehen ist, dass
die Mehrzahl der Lenkbewegungen in dem Fahrzeug einen Wert von etwa
90° nicht überschreitet,
wird das Kabel bei dieser Ausgestaltung des Drehverbinders nur selten
geknickt.
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Die
Erfindung betrifft neben dem Drehverbinder und dem Fahrzeug in den
oben genannten Ausführungsformen
auch ein Verfahren zum Bewegen eines zwischen zwei Kabelhalterungen
fixierten Kabels eines Drehverbinders bei einer relativen Drehbewegung
der zweiten Kabelhalterung zur ersten Kabelhalterung um eine Drehachse.
Um das Kabel in dem Drehverbinder dauerhaft leichtgängig zu
bewegen wird bei dem Verfahren ein erster Kabelabschnitt in einem
Kabelspeicher aufgenommenen, ein zweiter Kabelabschnitt um die Drehachse
auf- oder abgewickelt und die Drehbewegung der zweiten Kabelhalterung
mit der Drehbewegung des zweiten Kabelabschnitts drehwinkelgleich
gekoppelt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens kann der zweite Kabelabschnitt beim Auf- und Abwickeln
radial nach innen gedrückt
werden. Ferner das Kabel in Richtung des Kabelspeichers gezogen
wird. Weiterhin können
Wicklungen des zweiten Kabelabschnitts wenigstens abschnittsweise
zusammengehalten werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
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
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehverbinders;
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2 eine
schematische Explosionsdarstellung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehverbinders
aus 1;
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehverbinders
in einer Explosionsdarstellung;
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4 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehverbinders;
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5 eine
schematische Explosionsdarstellung der Ausführungsform aus 4;
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6 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehverbinders
in einer Explosionsdarstellung;
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7 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehverbinders
in einer Explosionsdarstellung;
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8 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
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9 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Drehverbinders, der in
dem Fahrzeug in 8 eingebaut ist.
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Zunächst wird
der allgemeine Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehverbinders mit Bezug
auf die 1 und 2 und der
darin dargestellten beispielhaften Ausführungsform beschrieben.
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Der
Drehverbinder 1 umfasst ein Rotorelement 2, einen
Kabelspeicher 3 und ein Kabel 4, das zwischen
dem Rotorelement 2 und dem Kabelspeicher 3 verläuft. Der
Kabelspeicher 3 weist eine erste Kabelhalterung 11 und
das Rotorelement 2, das relativ zum Kabelspeicher 3 drehbar
ausgebildet ist, weist eine zweite Kabelhalterung 7 auf.
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Das
Rotorelement 2 ist bei der in den 1 und 2 dargestellten
beispielhaften Ausführungsform
als ein rotationssymmetrischer Hohlzylinder ausgebildet, an dem
ein Flansch 5 ausgeformt ist. In axialer Richtung, längs einer
Drehachse D, weist das Rotorelement 2 eine zylindrische
Aufnahmeöffnung 6 auf.
An der Außenumfangsfläche des
Rotorelements 2 ist eine zweite Kabelhalterung 7 ausgeformt,
die als ein in der Umfangsrichtung verlaufender Bügel ausgebildet
ist. Die Kabelhalterung 7 bildet zur Außenumfangsfläche eine
Kabeldurchführung 8 aus, deren Größe im Wesentlichen
dem Querschnitt des Kabels 4 entspracht. Der Flansch 5 steht
von der zylindrischen Außenumfangsfläche radial
nach außen
vor.
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Das
Rotationselement 2 umfasst an der Außenumfangsfläche weiterhin
eine in der Umfangsrichtung verlaufende Verzahnung 9. Die
Verzahnung 9 weist mehrere in der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte,
radial nach außen
vorstehende Zahnelemente 10 auf. Somit bildet das Rotationselement 2 mit
der Verzahnung 9 ein Zahnrad aus. Alternativ kann auch
ein separates Zahnrad, an dem die Verzahnung 9 ausgebildet
ist, auf das Rotationselement 2 aufgeschoben oder an ihm
in beliebiger Weise befestigt werden.
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Wie
in 1 dargestellt, ist das Kabel 4 durch
die bügelförmige zweite
Kabelhalterung 7 hindurchgeführt, so dass das Kabel 4 am
Rotorelement 2 fixiert ist. Zwischen der zweiten Kabelhalterung 7 und
der Flanschfläche 5 ist
das Kabel 4 so umgeschlagen, dass der Verlauf von der axialen
Richtung in die Umfangsrichtung geändert wird. Durch eine Drehbewegung
des Rotorelements 2 in einer Drehrichtung 12 ist
das Kabel um das Rotorelement 2 spiralförmig auf- bzw. abwickelbar.
Dabei kann das Kabel 4 sowohl im Uhrzeigersinn als auch
gegen den Uhrzeigersinn um das Rotorelement 2 verlaufen.
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Die
Aufnahmeöffnung 6 ist
bei der Ausführungsform
der 1 und 2 so ausgeformt, dass eine drehbare
Welle 13, beispielsweise eine Lenksäule in einem Kraftfahrzeug,
bewegungsstarr in die Aufnahmeöffnung 6 eingesteckt
werden kann. Diese Welle-Nabe-Verbindung 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.
Alternativ kann das Rotorelement 2 in beliebiger Weise
bewegungsstarr mit dem drehbaren Körper 13 gekoppelt
werden.
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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 14 aufweist. Die Adern 14 sind jeweils von
einem Isoliermaterial, beispielsweise einem Kunststoff umgeben,
der sie gleichzeitig miteinander verbindet und den Flachleiter ausbildet.
Das flexible Kabel 4 ist in der Längsrichtung im Wesentlichen
zug- und druckfest ausgebildet. Die beiden Enden des Kabels 4 liegen
jeweils hinter den beiden Kabelhalterungen 11, 7 und
können
beispielsweise Steckerelemente zum elektrischen Verbinden aufweisen.
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Das
Kabel 4 des erfindungsgemäßen Drehverbinders 1 weist
weiterhin in Längsrichtung
des Kabels nebeneinander angeordnete Eingriffsöffnungen 15 auf. Die
Eingriffsöffnungen 15 sind
mit im Wesentlichen gleich voneinander beabstandet, wobei die Abstände der
Eingriffsöffnungen 15 im
Wesentlichen gleich sind mit den Abständen der Zahnelemente 10 des
Rotorelements 2. Die Eingriffsöffnungen 15 sind bei
der Ausführungsform
der 1 und 2 als im Wesentlichen rechteckige
Durchgangslöcher
im Kabel 4 ausgebildet. Alternativ können die Eingriffsöffnungen 15 beispielsweise
auch als Vertiefungen an einer Seite des Kabels 4 ausgebildet
sein.
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Wenn
das Kabel 4, wie in 1 dargestellt, spiralförmig um
das Rotorelement 2 gewickelt ist, greifen die Zahnelemente 10 der
Verzahnung 9 in die Eingriffsöffnungen 15 des Kabels 4 ein.
Das aufgewickelte Kabel 4 liegt innen an der Außenumfangsfläche des
Rotorelements 2 an bzw., bei mehreren Wicklungen 17,
liegen die Wicklungen 17 aneinander an, so dass der Wicklungsdurchmesser 16 jeweils minimal
ist.
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Bei
der Ausführungsform
in 1 und 2 bilden die am Rotorelement 2 angeordnete
Verzahnung 9 und das mit den Eingriffsöffnungen 15 versehene
Kabel 4 ein Getriebemittel 51 aus, das die Drehbewegung
des Rotorelements 2 mit dem Kabel 4 koppelt.
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Um
das Rotorelement 2 ist bei der Ausführungsform der 1 und 2 ein
Rotorrahmen 18 angeordnet. Der Rotorrahmen 18 umgibt
das Rotorelement 2 in der Umfangsrichtung und ist von der
Außenumfangsfläche des
Rotorelements 2 beabstandet. Der Rotorrahmen 18 ist
im Wesentlichen konzentrisch zum Rotorelement 2 angeordnet.
In axialer Richtung ist der Rotorrahmen 18 so zum des Rotorelement 2 platziert,
dass der Rotorrahmen 18 das um das Rotorelement 2 gewickelte
Kabel 4 umgibt. Der Rotorrahmen 18 mündet in
einem Bereich tangential vom Rotorelement 2 in einen Kabelkanal 19,
der in Richtung des Kabelspeichers 3 führt und im Folgenden noch näher beschrieben
wird.
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Wie
in 2 dargestellt, weist der Rotorrahmen 18 an
seiner Innenseite zwei mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildete
Innenumfangsflächen 20, 21 auf.
Die größere Innenumfangsfläche 20 weist
einen größeren Durchmesser
als die kleinere Innenumfangsfläche 21 auf.
Beide Innenumfangsflächen 20, 21 sind
im Wesentlichen zylindrisch um die Drehachse D ausgebildet und gehen
mit einer im Wesentlichen rechtwinkligen Stufe ineinander über. Der Durchmesser
der großen
Innenumfangsfläche 20 ist größer als
der Außendurchmesser
der Verzahnung 9 des Rotorelements 2. Der Durchmesser
der kleinen Innenumfangsfläche 21 ist
dagegen kleiner als der Außendurchmesser
der Verzahnung 9, aber größer als der Außendurchmesser 22 der
Außenumfangsfläche des
Rotorelements 2. Im zusammengebauten Zustand in 1 ist
das Rotorelement 2 zum Rotorrahmen 18 so angeordnet,
dass die Verzahnung 9 über
die kleine Innenumfangsfläche 21 hinausragt.
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Der
die Verzahnung 9 teilweise überlappende Rotorrahmen 18 bildet
für das
Kabel 4 beim Auf- oder Abwickeln um das Rotorelement 2 eine
Zwangsführung
aus. Das Kabel 4 kann nämlich
nur auf- oder abgewickelt werden, wenn die Zahnelemente 10 mit den
Eingriffsöffnungen 15 des
Kabels 4 in Eingriff stehen.
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Zwischen
der großen
Innenumfangsfläche 20 des
Rotorrahmens 18 und dem um das Rotorelement 2 gewickelte
Kabel 4 ist ein Federelement 23 angeordnet. Das
Federelement 23 ist als eine im Wesentlichen zylindrische
Hülse ausgebildet,
die mehrere Federarme 24 aufweist und im Bereich der Mündung zum
Kabelkanal 19 unterbrochen ist. Die Federarme 24 stehen
radial nach innen vor und verlaufen jeweils im Uhrzeigersinn von
außen
spiralförmig
nach innen. Im zusammengebauten Zustand in 1 ist das
Federelement 23 in den Rotorrahmen 18 eingesetzt,
so dass die Federarme 24 radial nach außen vom Kabel 4 ausgelenkt
sind und eine Vorspannkraft in radialer Richtung nach innen auf
das Kabel 4 ausüben.
Um ein Verdrehen des Federelements 23 relativ zum Rotorrahmen 18 zu
verhindern, weist das Federelement 23 einen Befestigungsvorsprung 25 auf, der
in eine komplementär
ausgebildete Tasche (nicht dargestellt) im Rotorrahmen 18 formschlüssig eingreift.
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Durch
die vom Federelement 23 ausgeübte Vorspannkraft wird das
Kabel 4 mit aneinander liegenden Wicklungen 17 und
an der Außenumfangsfläche des
Rotorelements 2 anliegend auf- und abgewickelt. Der Wicklungsdurchmesser 16 ist
somit so klein wie möglich,
also jeweils minimal.
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Das
an dem Rotorelement 2 fixierte Kabel 4 verläuft vom
Rotorelement 2 durch die Mündung des Rotorrahmens 18 in
den Kabelkanal 19. Der Kabelkanal 19 verläuft im Wesentlichen
tangential zum Rotorelement 2 und mündet gegenüberliegend vom Rotorrahmen 18 in
einem Rahmen 26 des Kabelspeichers 3. Der Rahmen 26 ist
als eine Hülse
ausgebildet, die konzentrisch um einen Zylinderstumpf 27 ausgebildet
ist. Die axiale Höhe
des Rahmens 26 ist im Wesentlichen gleich mit der Höhe des Rotorrahmens 18 und
des Kabelkanals 19.
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Der
Zylinderstumpf 27 weist an seiner Außenumfangsfläche die
erste Kabelhalterung 11 auf, die im Wesentlichen gleich
ausgestaltet ist wie die oben beschriebene zweite Kabelhalterung 7.
Wie bei der zweiten Kabelhalterung 7 am Rotorelement 2,
ist das Kabel 4 an der ersten Kabelhalterung 11 fixiert. Von
der ersten Kabelhalterung 11 aus verläuft das Kabel 4 in
Richtung der zweiten Kabelhalterung 7 spiralförmig um
den Zylinderstumpf 27 und um eine Wickelachse W herum.
Die Wickelachse W verläuft durch
die Längsachse
des Zylinderstumpfes 27 und das Kabel 4 ist in 1 und 2 von
innen nach außen
gegen den Uhrzeigersinn gewickelt. Der Zylinderstumpf 27 mit
der ersten Kabelhalterung 11 ist im Wesentlichen bewegungsstarr
zum Rahmen 26 ausgebildet, so dass, wie in 1 dargestellt,
das Kabel 4 mit einer konstanten Anzahl von Wicklungen
in dem Kabelspeicher 3 aufgewickelt ist. Bei der Ausführungsform
in 1 weist ein erster Kabelabschnitt 28,
der im Kabelspeicher 3 aufgenommen ist, etwa zwei Wicklungen 17 auf.
Die Länge
dieses ersten Kabelabschnitts 28 ergibt sich aus der Anzahl
der Wicklungen und den Wicklungsdurchmessern 29. Im Gegensatz
zu dem um das Rotorelement 2 gewickelten zweiten Kabelabschnitt 35 können die
Wicklungen 17 das ersten Kabelabschnitts 28 voneinander
beabstandet sein und die Wicklungsdurchmesser 29 verändern sich.
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Der
Kabelspeicher 3 weist ferner ein Spiralfederelement 30 auf,
das in einem Schlitz 31 des Zylinderstumpfs 27 fixiert
ist. Von dem Schlitz 31 verläuft das Spiralfederelement 30 wie
das Kabel 4 spiralförmig
gegen den Uhrzeigersinn um den Zylinderstumpf 27 in zwei
Wicklungen herum. Wie in 1 dargestellt, ist das Spiralfederelement 30 jeweils
zwischen benachbarten Wicklungen 17 des Kabels 4 angeordnet.
Das Spiralfederelement 30 ist so ausgebildet, dass es eine
radial nach außen
wirkende Vorspannkraft auf den ersten Kabelabschnitt 28 ausübt und die
Wicklungen 17 im Kabelspeicher 3 aufweitet. Durch
das Spiralfederelement 30 wird auf das Kabel 4 eine
Zugkraft Z in Richtung des Kabelspeichers 3 ausgeübt.
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Im
zweiten Kabelabschnitt 35 ist das Kabel 4 zwischen
den Wicklungen 17 mit einem Verbindungsmittel 44 versehen.
Das Verbindungsmittel 44 verbindet aneinanderliegende Wicklungen 17 miteinander
und verhindert so ein Aufweiten. Bei der Ausführungsform in den 1 und 2 ist
das Verbindungsmittel 44 ein Fettfilm, der eine Adhäsionskraft zwischen
den Wicklungen 17 ausübt.
Alternativ kann das Verbindungsmittel als ein Klett- oder Magnetband
ausgebildet sein.
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Der
erfindungsgemäße Drehverbinder 1 weist
eine Wickelvorrichtung 50 auf, die bei der beispielhaften
Ausführungsform
in den 1 und 2 das Getriebemittel 51,
das Spiralfederele ment 30, das Federelement 23 und
das Verbindungsmittel 44 umfasst. Die Wickelvorrichtung 50 koppelt
die Drehbewegung des Rotorelements 2 und die Drehbewegung
des zweiten Kabelabschnitts 35 im wesentlichen drehwinkelgleich,
so dass sich die Wicklungen 17 des zweiten Kabelabschnitts 35 beim
Abwickeln nicht aufweiten können.
Alternativ kann die Wickelvorrichtung 50 auch nur eine
oder weniger der genannten Komponenten umfassen.
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Am
Rahmen 26 des Kabelspeichers 3 und am Rotorrahmen 18 sind
jeweils Laschen 32, 33 ausgebildet, mit denen
der Drehverbinder 1 mit einem festen, stationären Körper 34,
wie beispielsweise einem Fahrzeugchassis, verbunden werden kann.
Der Drehverbinder 1 verbindet den stationären Körper 34 über das
Kabel 4 mit der drehbaren Welle 13, so dass ein
elektrisches Signal von dem stationären Körper 34 zur Welle 13 übertragen
werden kann.
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Bei
der Drehbewegung der Welle 13 in der Drehrichtung 12 wird
das mit der Welle 13 bewegungsstarr verbundene Rotorelement 2 um
die Drehachse D gedreht. Beim Drehen wird das an der zweiten Kabelhalterung 7 fixierte
Kabel 4 im zweiten Kabelabschnitt 35 spiralförmig um
das Rotorelement 2 auf- oder abgewickelt. Dabei wird die
Länge des
im Kabelspeicher 3 aufgenommenen ersten Kabelabschnitts 28 vergrößert bzw.
verkleinert. Um zu verhindern, dass sich beim Abwickeln des Kabels 4 vom Rotorelement 2,
in 1 durch Drehen im Uhrzeigersinn, der Wicklungsdurchmesser 16 des
zweiten Kabelabschnitts 35 vergrößert und die Länge des
ersten Kabelabschnitts 28 im Kabelspeicher 3 nicht
verändert,
weist der Drehverbinder 1 die Wickelvorrichtung 50,
durch welche die Drehbewegung der zweiten Kabelhalterung 7 mit
der Drehbewegung des zweiten Kabelabschnitts 35 gekoppelt
wird. Die Wickelvorrichtung 50 drückt den zweiten Kabelabschnitt 35 beim
Auf- und Abwickeln radial nach innen, zieht das Kabel 4 in
Richtung des Kabelspeichers 3 und hält die aufeinander liegenden
Wicklungen 17 des zweiten Kabelabschnitts zusammen.
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Bei
einer Drehbewegung mit aneinander liegenden Wicklungen 16 am
Rotorelement 2 ist die Winkelgeschwindigkeit und der Drehwinkel
des aufgewickelten Kabels 4 im zweiten Kabelabschnitt 35 gleich
mit der Winkelgeschwindigkeit und dem Drehwinkel des Rotorelements 2.
So wird das vom Rotorelement 2 abgewickelte Kabel 4 ausschließlich in
den Kabelspeicher 3 geschoben. Wenn die Winkelgeschwindigkeit
des Rotorelements 2 größer wäre als die
Winkelgeschwindigkeit des zweiten Kabelabschnitts 35, würde sich
der Wicklungsdurchmesser 16 des zweiten Kabelabschnitts 35 vergrößern und kein
oder weniger Kabel 4 in den Kabelspeicher 3 geschoben.
Beim Vergrößern des
Wicklungsdurchmessers 16 kann der zweite Kabel abschnitt 35 die
Drehbewegung der Welle 13 bremsen oder blockieren, wenn
die Wicklungen 17 außen
am Rotorrahmen 18 anstoßen. Dieses unerwünschte Bremsen
oder Blockieren wird mit dem erfindungsgemäßen Drehverbinder 1 vermieden.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehverbinders 1.
Der Einfachheit halber wird lediglich auf die Unterschiede zu der
Ausführungsform
der 1 und 2 eingegangen. Gleiche Teile
sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im
Unterschied zu der Ausführungsform
der 1 und 2 weist der Drehverbinder 1 in 3 zusätzlich zwei
Inkrementalsensoren 36 und 37 auf. Ferner sind
sowohl am Kabel 4 als auch am Flansch 5 des Rotorelements 2 inkrementale
Codierelemente 38 und 39 ausgebildet. Die Codierelemente 38 auf dem
Kabel 4 sind als quer zur Längsrichtung des Kabels verlaufende
Striche ausgebildet. Der Inkrementalsensor 36 ist im eingebauten
Zustand so am Drehverbinder 1 angeordnet, dass er die Codierelemente 38 auf
dem Kabel 4 überwacht.
Bei der Ausführungsform
in 3 ist der Inkrementalsensor 37 in einer Sensoraufnahme 40 in
der Wandung des Kabelkanals 19 eingesetzt, hinter der das
Kabel 4 mit den Codierelementen 38 verläuft. Bei
einer Drehbewegung des Rotorelements 2 bewegt sich das
Kabel 4 relativ zum Inkrementalsensor 37, der
die Anzahl der vorbeilaufenden Codierelemente 38 registriert
und an eine Steuerungseinheit (nicht dargestellt) überträgt. Da die
Codierelemente 38 in gleichmäßigen Abständen auf dem Kabel 4 angeordnet
sind, kann die Steuerungseinheit die Länge des Kabels 4 berechnen, das
in den Kabelspeicher 3 hinein- bzw. herausgeschoben wurde.
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Die
Codierelemente 39 am Flansch 5 sind bei der Ausführungsform
in 3 als nach unten vorstehende Zähne ausgebildet. Der Inkrementalsensor 36 ist
stationär
zum drehbaren Rotorelement 2 angeordnet und registriert
im Betrieb die Anzahl der vorbeibewegenden Codierelemente 39.
Aus dem Inkrementalsignal des Inkrementalsensors 36 kann
die verbundene Steuerungseinheit, die Winkelgeschwindigkeit des
Rotorelements 2 errechnen, der Inkrementalsensor 36 mit
den Codierelementen 39 arbeitet somit als ein Drehgeber,
der Inkrementalsensor 37 mit den Codierelementen 38 als
ein Wegsensor. Zusammen mit der nicht dargestellten Steuerungseinheit
bilden sie eine Messeinrichtung des Drehverbinders 1, durch
die das zu vermeidende Aufweiten des zweiten Kabelabschnitts 35 um
die Drehachse D herum erkennbar ist. Die Messeinrichtung überprüft die Funktion
der Wickelvorrichtung 50.
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Die 4 und 5 zeigen
eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehverbinders 1.
Der Einfachheit halber wird erneut lediglich auf die Unterschiede
zu der Ausführungsform
der 1 und 2 eingegangen. Gleiche Teile
sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform
der 1 und 2 ist die Verzahnung 9,
die in die Eingriffsöffnungen 15 des
Kabels 4 eingreift, in den 4 und 5 nicht
am Rotorelement 2, sondern an einem separaten Ritzel 40 ausgebildet.
Im eingebauten Zustand ist das Ritzel 40 so angeordnet,
dass die Verzahnung 9 im Bereich des Kabelkanals 19 in das
Kabel 4 eingreift. Ein Spannelement 52, das beispielsweise
eine Feder und einen Druckklotz umfasst, drückt das Kabel 4 in
Eingriff mit der Verzahnung 9. Das Ritzel 40 weist
neben der Verzahnung 9, die in das Kabel 4 eingreift,
eine zusätzliche
Verzahnung 41 auf, über
die das Ritzel 40 angetrieben wird. Das Ritzel 40 ist über ein
Zwischenritzel 42 mit einer Antriebsverzahnung 43 am
Rotorelement 2 gekoppelt. Das Ritzel 40 ist so
mit dem Rotorelement 2 gekoppelt, dass eine Drehbewegung
des Rotorelements 2 mit gleicher Drehzahl an das Ritzel 40 übertragen
wird. Das Getriebemittel 51 umfasst bei der Ausführungsform
in 4 und 5 somit zusätzlich das Ritzel 40,
die Verzahnung 41, das Zwischenritzel 42 und die
Antriebsverzahnung 43 am Rotorelement 2.
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Ferner
ist die Wickelvorrichtung 50 bei der Ausführungsform
in den 4 und 5 von dem Getriebemittel 51 ausgebildet.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehverbinders 1.
Der Einfachheit halber wird lediglich auf die Unterschiede zu der
Ausführungsform
der 4 und 5 eingegangen. Gleiche Teile
sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im
Unterschied zu der Ausführungsform
der 4 und 5 ist das Ritzel 40 in 6 ohne
ein Zwischenritzel 42 mit dem Rotorelement 2 gekoppelt. Weiterhin
ist der Kabelspeicher 3 in seiner äußeren Form verändert, um
den Drehverbinder 1 an eine veränderte Einbausituation anzupassen.
Alternativ kann der Kabelspeicher 3 auch in anderen äußeren Formen
ausgebildet sein.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehverbinders 1.
Der Einfachheit halber wird erneut lediglich auf die Unterschiede
zu den vorherigen Ausführungsformen
eingegangen. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im
Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsformen weist das Getriebemittel 51 in 7 ein
Zugmittel 45 auf, das außen um den Drehverbinder 1 verläuft und
mit dem Kabel 4 im Bereich des zweiten Kabelabschnitts 35 im
Eingriff ist. Das Zugmittel 45 ist bei der Ausführungsform
in 7 als ein Zahnriemen ausgebildet, der in die Eingriffsöffnungen 15 des
Kabels 4 eingreift. Das Zugmittel 45 ist über ein
Ritzel 46 mit dem Rotorelement 2 gekoppelt. Das
Zugmittel 45 wird synchron mit dem Rotorelement 2 angetrieben.
Im Bereich des Kabelspeichers 3 gleitet das Zugmittel 45 außen um den
Rahmen 26 herum, an dem geeignete Gleitflächen und Führungselement
ausgebildet sein können.
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Das
Zugmittel 45 koppelt die Drehbewegung des Rotorelements 2 mit
dem zweiten Kabelabschnitt 35, so dass vom Rotorelement 2 abgewickeltes
Kabel 4 in den Kabelspeicher 3 geschoben wird.
Ferner drückt
das Zugmittel 45 den zweiten Kabelabschnitt 35 wenigstens
abschnittsweise gegen das Rotorelement 2, so dass der zweite
Kabelabschnitt 35 mit minimalem Wicklungsdurchmesser 16 aufgewickelt wird.
Das Zugmittel 45 kann durch geeignete Spannelemente, wie
z. B. Spannrollen (nicht dargestellt), vorgespannt werden.
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8 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs,
in dem der erfindungsgemäße Drehverbinder 1 eingebaut
ist. Dieser eingebaute Drehverbinder 1 ist schematisch
in 9 dargestellt. Das Fahrzeug 47 weist
ein Fahrzeugchassis 34, ein Lenkmittel 13, zwei
Hinterräder 48 und
zwei über
das Lenkmittel 13 lenkbare Vorderräder 49 auf. In dem
Fahrzeug 47 ist der erfindungsgemäße Drehverbinder 1 eingebaut,
der das Fahrzeugchassis 34 mit dem Lenkmittel 13 verbindet.
In einer in 8 dargestellten Geradeausfahrstellung
ist das Lenkmittel 13 so positioniert, dass das Fahrzeug
geradeaus fährt.
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Um
die in dem Drehverbinder 1 verwendete Kabellänge relativ
gering zu halten, ist der Drehverbinder 1 so in das Fahrzeug 47 eingebaut,
dass bei einer Lenkbewegung in die eine Richtung 12 der zweite
Kabelabschnitt 35 in eine Richtung, z.B. im Uhrzeigersinn,
um das Rotorelement 2 gewickelt und bei entgegen gesetzter
Lenkbewegung entgegen gesetzt, z.B. gegen den Uhrzeigersinn, aufgewickelt wird.
Beim Überfahren
der Mittelstellung des Drehverbinders 1, in der kein Kabel 4 um
das Rotorelement 2 gewickelt ist und sich die Wickelrichtung ändert, wird
das Kabel 4 geknickt. In 9 ist diese
Mittelstellung des Kabels 4 in Strich-Punkt-Linie mit 4c dargestellt.
Die zweite Kabelhalterung 7 befindet sich in dieser Mittelstellung
in der Position 7c.
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Damit
das Kabel 1 möglichst
selten geknickt wird, ist der Drehverbinder 1 so im Fahrzeug 47 eingebaut,
dass der Drehverbinder 1 bei einer Geradeausfahrstellung
weniger als 90° von
der Mittelstellung versetzt ausgerichtet ist. In dieser Geradeausfahrstellung
befindet sich das Kabel 4 in 9 in der
mit einer Volllinie gezeigten Position 4a und die zweite Kabelhalterung
in der Position 7a. Hierdurch wird vermieden, dass das
Kabel 4 bei kleineren Lenkbewegungen um die Mittelstellung
herum geknickt wird. Da davon auszugehen ist, dass die Mehrzahl
der Lenkbewegungen in dem Fahrzeug 47 einen Wert von etwa
90° nicht überschreitet,
wird das Kabel 4 so nur selten geknickt.
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Bei
einer Lenkbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn in 9 von
mehr als 90° bewegt
sich die zweite Kabelhalterung 7 von der Position 7a in
der Geradeausfahrstellung über
die Mittelstellung mit Position 7c in eine Position 7b,
in der der Verlauf des Kabels 4 in 9 mit einer
Strichlinie und dem Bezugszeichen 4b dargestellt ist.