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Die Erfindung betrifft ein Befehlsgerät mit einem Betätigungselement, in welchem eine Spannzangenvorrichtung mit einem Außenkegel, einem Innenkegel und einem Befestigungselement angeordnet ist.
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Bei elektromechanischen Befehlsgeräten sind neben rastend oder tastend arbeitenden Drehschaltern zur Erzeugung einer rein galvanischen Kontaktierung als drehend betätigte, d. h. drehwinkelabhängige Signalgeber, auch sogenannte Potentiometersteller in Gebrauch, mit denen ein Signal- oder Betriebsstrom gesteuert werden kann. Um sowohl ein einheitliches Erscheinungsbild, wie auch äquivalente Eigenschaften bezüglich der Art der Montage in der Fronttafel, dem Schutz gegen Flüssigkeiten und Staub sowie gegenüber grober Handhabung zu gewährleisten, wird das eigentliche Potentiometer, also der veränderbare Widerstand, in ein Gehäuse eingebaut, das äußerlich den Gehäusen der anderen Befehlsgeräte entspricht.
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Vor allem die „22 mm-Befehlsgeräte” für industrielle Anwendungen, sind oft sehr rauen Betriebsbedingungen unterworfen, dazu zählt insbesondere eine an Vandalismus grenzende Handhabung. Es hat sich gezeigt, dass drehend betatigte Befehlsgeräte ein Drehmoment von 5 Nm vertragen sollten, um für alle Fälle gewappnet zu sein. Bezüglich der Potentiometer wirft dies Probleme auf, da die handelsüblichen Ausführungen nur bis etwa 0,5 Nm ausgelegt sind. Auf den ersten Blick bietet sich natürlich eine Lösung mit einem robusten Anschlag des Drehknopfes am Befehlsgerätegehäuse an. Dadurch entsteht allerdings der Nachteil, dass der volle Widerstandsbereich des Potentiometers nicht mehr abgefahren werden kann, da unvermeidliche Toleranzen verhindern, dass der Gehäuseanschlag mit dem inneren Potentiometeranschlag genau übereinstimmt.
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Potentiometer für einen Permanentzugriff bestehen mechanisch aus einem eigenen Gehäuse, in dem die Widerstandsstrecke untergebracht ist. An diesem Gehäuse befindet sich ein mit einem Außengewinde versehener Stutzen, der sowohl in Verbindung mit einer Mutter die Zentralbefestigung des Potentiometers im Befehlsgerätegehäuse ermöglicht als auch die Lagerung für die Antriebsachse darstellt. Die genannte Achse trägt außen den Drehknopf und innen den auf der Widerstandsstrecke schleifenden Abgriffkontakt.
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Zur Befestigung des Drehknopfes auf der Antriebsachse der Potentiometer sind zwei Prinzipien bekannt. Eine besonders kostengünstige Lösung stellt eine radial auf die Achse wirkende, im Drehknopf in einem Gewinde gefuhrte Madenschraube dar. Das Gewinde kann direkt im Material des Drehknopfes oder, bei einer besseren Ausführung vor allem von Kunststoffdrehknöpfen, in einem umgossenen/umspritzten Metallteil oder auch in einer in einem Schlitz eingeschobenen Mutter eingebracht sein. Bei diesen Lösungen sind jedoch gewisse Abstriche bezüglich der Justierung des Drehknopfes und der Lockerungssicherheit im Dauerbetrieb in Kauf zu nehmen.
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Eine bessere, aber auch kostenungünstigere Lösung stellt eine in den Drehknopf integrierte Radialspannzange dar. Diese Ausführung wird auf Grund ihrer Überlegenheit bezüglich der exakten Positionierung und des dauerhaften Kraftschlusses des Drehknopfes in der Anwendung bei Befehlsgeräten bevorzugt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Befehlsgerät zu schaffen, das zuverlässig den gesamten Widerstandsbereich, d. h. den gesamten Drehwinkel des Potentiometers abfährt und bei einer Betätigung daruber hinaus bis zu einem massiven Anschlag im Gehäuse keinen Schaden nimmt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Befehlsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Befehlsgerät mit einem Betatigungselement gelöst, in welchem eine Spannzangenvorrichtung mit einem Außenkegel, einem Innenkegel und einem Befestigungselement angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spannzangenvorrichtung torsionsgefedert zwischen Betätigungselement und Potentiometer wirkt.
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Erfindungsgemäß ist statt einer herkömmlich umfassten/umspritzten Spannzange im Betätigungselement ein torsionsgefedert gelagerter Spannzangenmechanismus vorgesehen. Die zentral im Betätigungselement, vorzugsweise einem Drehknopf angeordnete Spannzange, weist einen Außenkegel, einen Innenkegel und ein Befestigungselement, vorzugsweise in Form einer geeigneten Mutterform auf und ist an ihrem Außenumfang mit einem Elastomer in einer Weise formschlüssig umspritzt oder umgossen, dass von diesem Elastomer, das außen vom Material des Knopfes auch formschlüssig umspritzt oder umgossen ist, eine rotatorische Relativbewegung zwischen Spannzangenaußenkegel und Knopf aufgenommen werden kann.
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Die Drehmoment-Verdrehwinkel-Kennlinie, das heißt, die Gestalt des Elastomers ist dabei so zu bemessen, dass mit Berücksichtigung aller Toleranzlagen der Anschlag des Drehknopfes am Gehäuse mit weniger als dem zulässigen Maximaldrehmoment des Potentiometeranschlages erreicht werden kann. In axialer Richtung ist eine möglichst steife Verbindung zwischen Drehknopf und Spannzange anzustreben. Dies wird vorzugsweise durch axial verlaufende Aussparungen im Elastomer bewerkstelligt, indem hierdurch radial verlaufende, elastisch verformbare und/oder dehnbare Stege ausgebildet sind.
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Die hier verwendeten Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, die sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen und danach wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurückfinden wie es z. B. bei Kautschukmassen der Fall ist.
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Ursache der Elastizitat von Kautschukmassen ist überwiegend die Fähigkeit der geknäuelten Polymerketten auf eine Verformung mit einer Streckung bzw. Entflechtung der Ketten zu reagieren.
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Nach Abfall der Verformungsbelastung relaxieren die Ketten wieder in ihren statistisch bevorzugten knäuelartigen Zustand.
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Dieses Phänomen äußert sich durch ein Strecken unter Zugspannung und das anschließende Zusammenziehen nach Abfall der Spannung. Um ein plastisches, d. h. bleibendes Aneinandervorbeigleiten der Molekülketten unter der Belastung zu vermeiden, werden sie z. B. durch Schwefelbrücken untereinander verbunden. Bei der sogenannten Vulkanisation, d. h. dem Einbringen der Schwefelbrücken, entsteht somit je nach Menge der Schwefelbrücken Hart- oder Weichgummi.
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Kautschukmassen bestehen aus langen Polymerketten. Entlang dieser Ketten sind die einzelnen Kettenelemente gegeneinander drehbar. Diese Drehbarkeit ist so stark ausgeprägt, dass sich die Moleküle zu einem sogenannten Polymerknäuel verdrillen. Dieses Bestreben hat keine energetische Ursache, sondern ist lediglich das Resultat der in völlig zufällige Richtungen erfolgenden Drehbewegung entlang der Kette. Die Anordnung der einzelnen Atome der Kette um das Zentrum des Moleküls entspricht dabei einer Gauß'schen Verteilung.
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Wird ein solches Elastomer durch eine Zugspannung gedehnt, richten sich die Ketten bevorzugt in Richtung der Belastung aus. Sobald die Zugspannung entfallt, beginnen die Ketten wieder mit der zufälligen Drehbewegung, in deren Verlauf sie wieder die statistisch begründete Gauß-Verteilung einnehmen. Durch die Kettenrelaxierung zieht sich das Elastomer wieder zusammen. Dieser Effekt ist ähnlich einem Gas, das sich einmal komprimiert, nach der Dekompression auf Grund der zufälligen Bewegung der Gasatome wieder in den neu gewonnenen Freiraum ausdehnt. Es handelt sich dabei um einen entropischen Effekt. Die entropische Elastizität stellt in der Regel den größten Anteil des elastischen Effekts dieses Materials dar. Da die Drehbewegung umso schneller und effizienter erfolgt, je mehr Energie für diese vorhanden ist, steigt dieser Effekt mit der Temperatur. Der Anstieg der Elastizität mit der Temperatur ist ein typisches Merkmal von Elastomeren. Die Temperatur unterhalb derer thermische Energie nicht mehr ausreicht, die Drehbewegung zu vollführen, heißt Glasübergangstemperatur. Unterhalb der Glasübergangstemperatur verlieren diese Elastomere ihre typische Eigenschaft.
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Konventionelle Elastomere aus Kautschukmassen sind nicht schmelzbar. Das Besondere dieser Elastomere ist, dass ihre Elastizität nicht auf Anziehungskräften von sich ändernden Atomabständen beruht, sondern ein statisch-dynamisches Gleichgewicht zwischen Ordnung und Entropie darstellt. Das Elastomer speichert daher keinerlei Spannenergie in sich selbst, sondern strahlt die beim Dehnen zugeführte Energie als Wärme aus und erhöht stattdessen seine innere Ordnung. Wie ein Muskel benötigt es deshalb für erneutes Zusammenziehen Zufuhr von Energie, welche das Elastomer durch Braunsche Molekularbewegung der Umgebungswärme entnimmt.
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Die hier verwendbaren Elastomere sind beispielsweise alle Kautschuksorten aber auch thermoplastisch verarbeitbare TPE-, TPU-Kunststoffen sowie 2-Komponenten Giessmassen.
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Zur Aufnahme der Gegenhaltekraft beim Anziehen der Mutter ist am Außenkegel ein Doppel-Sechskant-Schlusselangriff vorgesehen, der bei geringer radialer Eindringtiefe relativ große Drehmomente übertragen kann. Dies ist von besonderem Vorteil, da bei einem aus kostengünstigem, aber relativ weichem Zinkdruckguss ausgeführten Außenkegel trotzdem ein robuster Schlusselangriff erzielt werden kann. Außerdem erlaubt der geringe Platzbedarf mehr Spielraum für das Knopfdesign, denn der Schlüsselangriffstutzen am Außenkegel muss innerhalb seines kleinsten Durchmessers die Mutter zum Anziehen des Innenkegels oder ggf. sogar einen über den Außendurchmesser der Mutter hinausgehenden Montageschlüssel aufnehmen.
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Die Mutter ist vorteilhafterweise als Hut- oder Hülsenmutter mit zentralem Innen-Sechsrundprofil(„Torx”)-Schlüsselangriff ausgeführt. In diesem Profil ist ein großes Drehmoment bei kleinem Umkreisdurchmesser übertragbar. Dies ist wiederum für den am Außenkegel zu verwendenden Zwölfkantsteckschlüsseleinsatz vorteilhaft, da dessen zentraler Durchgang größer als der Torx-Schlüssel sein muss, um beide Schlüssel gleichzeitig ansetzen zu können. Beim Anziehen der Mutter kann somit am Außenkegel gegengehalten werden, wozu ein Zwölfkanteinsatz mit zusätzlichem, z. B. handelsüblichen Sechskantaußenangriff zu verwenden ist. Die Torsionszone wie auch Knopf und Potentiometer bleiben dann beim Anziehen der Spannzange völlig unbeaufschlagt von Drehmomenten.
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Neben den genannten, optimal geeigneten Schlüsselangriffen sind optional auch andere ubliche Konturen, wie Außensechskant oder Vielzahn („XZN”, für sehr hohe Drehmomente) am Außenkegel und der Mutter oder auch Innensechskant sowie Kreuz- und/oder Einfach-Schlitz an der Mutter anwendbar.
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Es ist insbesondere von Vorteil, wenn am Endanschlag, also der innere Anschlag des Potentiometers bereits erreicht ist und der Drehknopf dennoch mit Kraft weitergedreht wird, Mittel, wie zum Beispiel eine robuste Nase, die formschlüssig auf eine ebenso robuste Barriere trifft, ausgebildet sind und so ein Weiterdrehen verhindern.
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Das erfindungsgemäße Befehlsgerät ermöglicht durch eine auf die jeweiligen Maßverhältnisse abgestimmte Torsionsfederung des Potentiometerantriebskopfes sowohl den gesamten Bereich des Potentiometers abzufahren, wie auch bei einem Weiterdrehen des Drehknopfes den robusten Gehäuseanschlag ohne Schädigung des Potentiometers zu erreichen. Dazu ist zentral im Drehknopf eine Spannzange angeordnet, die einen Außenkegel, einen Innenkegel und eine Mutter aufweist, und an ihrem Außenumfang mit einem Elastomer in einer Weise formschlüssig umspritzt oder umgossen ist, dass von diesem Elastomer, der von außen vom Material des Drehknopfes ebenfalls formschlüssig umspritzt oder umgossen ist, eine rotatorische Relativbewegung zwischen Spannzangenaußenkegel und Drehknopf aufgenommen werden kann.
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Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausfuhrungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung erläutert.
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Dabei zeigen schematisch:
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1 in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Befehlsgerat mit Betätigungselement, insbesondere Drehknopf und Befehlsgerätegehäuse;
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2 in einer perspektivischen Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Betätigungselement mit einer Spannzangenvorrichtung;
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3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannzangenvorrichtung mit Torsionsfederung aus einem Elastomer.
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1 zeigt ein Befehlsgerät 1 mit einem Betätigungselement 2, vorzugsweise einem Drehknopf und einem Befehlsgerätegehäuse 3 mit integriertem Potentiometer mit einer Achse 4, auf welcher das Betätigungselement 2 mittels einer Spannzangenvorrichtung montierbar ist. Am Betätigungselement 2 ist ein Vorsprung 5 angeordnet, der als Mittel dient, um ein Weiterdrehen zu verhindern und der mit einem zweiten Mittel bzw. Vorsprung 6, der am Befehlsgerätegehäuse 3 angeformt ist, in Wirkverbindung steht. Am Endanschlag des Befehlsgerätes 1, insbesondere eines Potentiometers, das heißt, wenn der innere Anschlag des Potentiometers bereits erreicht ist und der Drehknopf dennoch mit Kraft weitergedreht wird, schlägt der Vorsprung 5 formschlüssig am Vorsprung 6 an.
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In 2 ist das Betätigungselement 2 dargestellt, das im Inneren eine Spannzangenvorrichtung 7 aufweist. Die Spannzangenvorrichtung 7 weist einen Außenkegel 8, einen Innenkegel 9 sowie ein Befestigungselement 10, insbesondere eine Mutter auf. Die Spannzangenvorrichtung 7 ist am Außenumfang mit einem Elastomer 11 in einer Weise formschlüssig umspritzt oder umgossen, dass von diesem Elastomer 11, das seinerseits vom Material des Drehknopfes formschlüssig umspritzt oder umgossen ist, eine rotatorische Relativbewegung zwischen Spannzangen-Außenkegel 8 und Betatigungselement 2, insbesondere dem Drehknopf, aufgenommen werden kann.
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3 zeigt den Außenkegel 8 der Spannzangenvorrichtung 7, der vom Elastomer 11 umgeben ist. Im Elastomer 11 sind Aussparungen 12 sowie vorzugsweise radial verlaufende elastisch dehnbare Stege 13 angeordnet, die eine axial steife Verbindung zwischen Drehknopf und Spannzangenvorrichtung 7 bewerkstelligen. Zur Aufnahme der Gegenhaltekraft beim Anziehen der Mutter ist am Außenkegel 8 ein Doppel-Sechskant-Schlüsselangriff 14 angeordnet, der bei geringer radialer Eindringtiefe relativ große Drehmomente übertragen kann.
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Das erfindungsgemäße Befehlsgerät ermöglicht durch eine auf die moglichen Maßverhältnisse abgestimmte Torsionsfederung des Potentiometerantriebskopfes sowohl den gesamten Bereich des Potentiometers abzufahren, wie auch bei einem Weiterdrehen des Drehknopfes, den robusten Gehäuseanschlag ohne Schadigung des Potentiometers zu erreichen. Dazu ist zentral im Drehknopf eine Spannzange angeordnet, die einen Außenkegel, einen Innenkegel und eine Mutter aufweist, und an ihrem Aussenumfang mit einem Elastomer in einer Weise formschlüssig umspritzt oder umgossen ist, dass von diesem Elastomer, der von außen vom Material des Drehknopfes auch formschlüssig umspritzt oder umgossen ist, eine rotatorische Relativbewegung zwischen Spannzangenaußenkegel und Drehknopf aufgenommen werden kann.
