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Die Erfindung betrifft eine konfektionierte Kabeleinheit mit wenigstens einer elektrischen Steckverbindereinheit und mit einer Kabeltülle, die einen Endbereich eines Kabels und wenigstens einen sich anschließenden Teilbereich der Steckverbindereinheit umhüllt.
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Ein solches Kabel kommt insbesondere in industriellen Fertigungsanlagen zum Einsatz, um elektrische Energie und/oder elektrische Signale zu elektrisch angetrieben Werkzeuge oder Montageautomaten zu führen, welche im Arbeitsprozess einer andauernden Bewegung und Lageänderung unterworfen sind. Der Übergangsbereich zwischen dem flexiblen Kabel und dem starren Steckverbindungselement ist naturgemäß einer hohen Biegebeanspruchung ausgesetzt. Als Knickschutz für das Kabel wird normalerweise die Kunststoffumhüllung des Steckverbinderelements bis über das Kabelende geführt. Allerdings sind im Spritzgussverfahren verarbeitbare thermoplastische Elastomere insgesamt noch deutlich zu hart, so dass sich Knickstellen am Ende der Kabelschutztülle ergeben können und es dort bei dauerhafter Biegewechselbeanspruchung zur Beschädigung des Kabels bis hin zum Kabelbruch kommen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine konfektionierte Kabeleinheit hinsichtlich des Knickschutzes zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kabeleinheit mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäß dabei vorgesehene Kabelschutztülle aus gießbarem Polyurethan ist sehr weich und erlaubt eine sogar mit dem Auge sichtbare Dehnung des elastomeren Materials. Bei einer Biegebeanspruchung am Übergang des Kabelendes zum Gehäuse des Steckverbinderelements ist bei der erfindungsgemäßen Kabeltülle ein deutlicher Unterschied zu herkömmlichen Kabeltüllen erkennbar, denn während im Stand der Technik eine Verformung nur in dem Endbereich erfolgt, der eine reduzierte Wandstärke besitzt oder der im Falle einer sogenannten Schlitztülle eine Vielzahl von Durchbrüchen besitzt, so wird die Verformung nach der Erfindung im Wesentlichen in eine Zone verlegt, in der der Stecker noch für Halt sorgt.
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Wesentlich ist die Unterteilung der Kabeltülle der Länge nach in drei Zonen. Dazu gehört zunächst einmal eine Widerlager- oder Sicherungszone, in der die Tülle formschlüssig mit dem Steckergehäuse verbunden ist.
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Dann erfolgt ein Durchmessersprung an dem innen liegenden Gehäuse des Steckers, während das elastische Material der Kabeltülle sich in der dort definierten Biegezone nur allmählich verjüngt, dem Durchmessersprung also nicht mit einer konstanten Wandstärke folgt und vorzugsweise auch nicht linear zur Auslaufzone hin abnimmt. Vielmehr gibt es bevorzugt einen degressiven Anstieg der Wandstärke von der Auslaufzone zur Sicherungszone hin, so dass sich im Querschnitt gesehen eine in etwa parabelabschnittförmige Außenkontur ergibt.
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Somit besitzt die Kabeltülle in der Biegezone über einen großen Längenbereich eine sehr große Wandstärke, welche im Spritzgießverfahren nicht herstellbar wäre. Zudem bringt das herkömmliche Umspritzen einen großen Temperatur- und Druckeinfluss auf das Kabelende. Daher ist es wesentlich, dass die Kabeltülle nach der Erfindung aus einem gießbarem 2-Komponenten-Polyurethangemisch besteht, das das in einer Form liegende Kabelende umfließt und das von Raumtemperatur ausgehend mit nur leichter Temperaturerhöhung dort aushärtet.
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In der Biegezone kann eine deutliche Verformung stattfinden, die durch das sehr weiche Material erst ermöglicht wird. Die Umhüllung kann sich also in dieser Biegezone verformen, wobei sie sich auf harten Anteilen des Steckers abstützen kann, ohne die Biegung direkt in das Kabel zu übertragen.
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Durch die gleichzeitige formschlüssige, axiale und vorzugsweise auch drehmomentensteife Festlegung der Kabelschutztülle in der Sicherungszone wird in Bezug auf die erfindungsgemäße Kabeltülle der statische Grundfall des eingespannten Balkens geschaffen. Bei diesem liegt das Maximum der Lagerreaktionen direkt an der Einspannstelle, welche dem Ende der Sicherungszone entspricht, also unmittelbar an dem Durchmessersprung des Steckergehäuses. Das metallische, harte Steckergehäuse liegt aber trotz Durchmesserreduzierung im Inneren der Tülle noch vor, so dass es eine ausreichend stützende Wirkung hat, ohne dass am Stelle der maximalen Beanspruchung direkt das flexible Kabelende beansprucht wird.
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In der Biegezone können also große Anteile eine Biegemoments durch elastische Rückstellkräfte und elastische Verformungen innerhalb der dort mit großer Wandstärke ausgebildeten Kabeltülle kompensiert werden, ohne das im Inneren geführte Kabel zu überbeanspruchen.
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Die Biegezone kann kegelabschnittsförmig sein, so dass die Wandstärke der Biegezone vom Übergang aus der Sicherungszone heraus bis zur Auslaufzone sich allmählich reduziert.
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Vorzugsweise beträgt die Wandstärke der Biegezone aber das 2,0...2,5fache der Wandstärke in den beiden anderen Zonen über mehr als die Hälfte der Länge hinweg, hat also einen nicht-linearen Verlauf, so dass das elastomere Werkstoffvolumen hier mindestens 50% mehr beträgt als in der Sicherungszone und sogar das 5fache des Volumens in der Auslaufzone beträgt. Die Materialanhäufung ermöglicht große Verformungen des weichen Werkstoffs mit großen Radien.
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An die Biegezone anschließend gibt es bei der Kabeltülle noch eine Auslaufzone, in welcher sich die Wandstärke der Tülle allmählich reduziert und die noch für eine gewisse Führung des Kabels sorgt, um wiederum eine gleichmäßige Biegebelastung des Kabels aus der Biegezone heraus zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Ansicht:
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1 einen Endbereich eines konfektionierten Kabels im unbelasteten Zustand und
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2 das Kabel im belasteten Zustand.
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1 zeigt ein Ende einer konfektionierten Kabeleinheit 10 im unbelasteten Zustand. Das Kabel 10 bestehend aus dem eigentlichen Kabel 7 und einem damit verbundenen Steckverbinderelement 6. Das Steckverbinderelement 6 besitzt ein metallisches Steckergehäuse 2, dessen erster Abschnitt mit den Steckkontakten und einem Anschlussgewinde mit einem ersten umlaufenden Bund 5 abgeschlossen ist. Von dem Bund 5 aus erstreckt sich eine das Gehäuse umschließende Kabeltülle 1, welche auf einem vom Steckergehäuse 2 nicht mehr umfassten Endbereich des Kabels 7 ausläuft.
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Mit einem gegenüber dem Bund 5 reduzierten Durchmesser setzt sich das Steckergehäuse 2 in Längsrichtung fort, wobei es in diesem Bereich der Länge mit eingeprägten Sicherungselementen 4 versehen ist, die Kanten parallel zur Längserstreckung besitzen und als Verdrehsicherung für die Kabeltülle 1 dienen. Kanten, die quer zur Längsachse laufen, legen die Kabeltülle 1 gegen axial wirkende Kräfte fest. Insbesondere wird die formschlüssige Festlegung der Kabeltülle 1 durch den weiteren umlaufenden Bund 3 bewirkt, hinter dem der Durchmesser des Gehäuses 2 deutlich zurückspringt.
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Der Längenbereich der Kabeltülle 1 ab dem ersten Bund 5 bis hin zum zweiten Bund 6 des Steckergehäuses 2 bildet eine Sicherungszone 1.1, weil hier durch die formschlüssigen Elemente 3, 4 eine starke axiale und ggf. auch umfänglich gegen Verdrehen wirkende Festlegung der Kabeltülle 1 am Steckergehäuse 2 erreicht wird.
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Als nächstfolgender Längenbereich der Kabeltülle 1 schließt sich eine Biegezone 1.2 an. Wie 1 deutlich zeigt, ist die Wandstärke der aus einem sehr weichen Elastomer gebildeten Kabeltülle 1 in der Biegezone 1.2 gegenüber der Sicherungszone 1.1. deutlich erhöht. Bedingt durch die starke Einschnürung des inneren, metallischen Steckergehäuses 2 jenseits des Bundes 3 liegt hier eine deutliche Materialanhäufung vor, wie sie bei Verwendung von Thermoplasten, bei denen die Formgebung durch Spritzgießen erfolgen müsste, nicht zu erzielen wäre. Ermöglicht wird dies nach der Erfindung durch die Verwendung gießbarer und dabei sehr leicht fließender aushärtbarer Reaktionsgemische aus Polyurethan, die eine Härte von 65 Shore-A ± 2 Shore-A besitzen
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In der Sicherungszone 1.2 besitzt die Kabeltülle eine konische Form, wobei sie zu einer Auslaufzone hin 1.3 ausläuft, in der die Kabeltülle 1 nur noch eine geringe Wandstärke besitzt. Während die Biegezone 1.2 sowohl einen starren Endbereich des Steckergehäuses 2 mit reduziertem Durchmesser wie auch einen Teil des nicht vom Steckergehäuse 2 umschlossenen Kabels 7 einschließt, umschließt die Kabeltülle in der Auslaufzone 1.3 nur noch den elastomeren Kabelmantel das Kabels 7.
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Die Längen und Wandstärken in den einzelnen Zonen
1.1,
1.2 und
1.3 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wie folgt:
| Zone | Durchmesser | Länge | Wandstärke |
| Sicherungszone 1.1 | 28 mm | 26 mm | 3 mm (außerhalb des Widerlagers) |
| Biegezone 1.2 | 12–28 mm | 22 mm | Größte Wandstärke = 8 mm |
| Auslaufzone 1.3 | 12 mm | 22 mm. | 1,6 mm |
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Die Länge der Sicherungszone 1.1 ist vorrangig von der Länge des Steckergehäuses 2 abhängig, und diese wiederum ist durch die Art des Steckverbinderelements 6 und der Anschlussweise der einzelnen Litzen des Kabels daran bedingt.
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Die Länge der Auslaufzone 1.3 sollte nicht kürzer als die Biegezone 1.2, wobei deutlich größere Längen realisiert werden können, um das Kabel 7 über eine größere Länge zu unterstützen.
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Wichtig ist aber die Länge der Biegezone 1.2: Deren Länge sollte mindestens so groß sein wie die Durchmesserdifferenz zwischen dem größeren Durchmesser des Steckergehäuses 2 am Ende der Sicherungszone 1.1, von der aus die Biegezone 1.2 beginnt, und dem kleinere Außendurchmesser des Mantels des Kabels 7. Im vorliegenden Beispiel beträgt die auszugleichende Durchmesserdifferenz 16 mm, wofür eine Länge der Biegezone 1.2 von 22 mm vorgesehen ist.
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Weiterhin wichtig ist die Wandstärke in der Biegezone 1.2 Die maximale Wandstärke am Beginn der Biegezone 1.2 bestimmt sich rechnerisch zur Hälfte der zuvor genannten Durchmesserdifferenz, also 8mm und ist damit deutlich größer. Da jedoch erfindungsgemäß vorzugsweise kein linearer mit einem linearen Übergang vom kleinen zum großen Durchmesser vorgesehen ist, ist die Wandstärke in einem zentralen Bereich der Biegezone 1.2 recht groß und beträgt in deren Mitte bereits mehr als die Hälfte der rechnerischen Durchmesserdifferenz.
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2 zeigt eine konfektionierte Kabeleinheit 10 im belasteten Zustand. Hierbei wirkt beispielsweise eine nach oben weisende Kraft F auf das Kabel 7, während das Steckverbinderelement 6 fest eingespannt ist, z.B. durch Lagerung in einer ortsfesten Buchse. Somit ist auch der Sicherungszone 1.1 der Kabeltülle 1 als einseitig eingespannt zu sehen, da er durch die formschlüssige Festlegung sehr fest an das metallische Steckergehäuse 2 angebunden ist.
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Die auf das Kabel 7 wirkende Kraft F wird in dem von der Krafteinleitung aus gesehen nächsten Abschnitt, der Auslaufzone 1.3, kaum gemindert, da hier die Wandstärke der Kabeltülle 1 zu gering ist, sondern wird im Wesentlichen in die Biegezone 1.2 eingeleitet. An der der Krafteinleitungsstelle zugewandten Umfangsseite in der Biegezone 1.2 treten zunehmende stärkere Zugspannungen auf, die infolge von Querkontraktion in der Kabeltülle 1 eine deutliche Einschnürung bewirken. Im gegenüberliegenden Umfangsbereich 1.2‘ der Biegezone treten hingegen Druckspannungen auf, die zu einer Stauchung des elastomeren Werkstoffs der Kabeltülle 1 an dem Bund 3 des Steckergehäuses 2 führen, so dass eine in 2 deutlich sichtbare Auswölbung erfolgt, die wiederum einer weitergehenden Verformung der gesamten Tülle 1 und des eingeschlossenen Kabels 7 zunehmen entgegen wirkt.
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Erfindungsgemäß werden bedingt durch den weichen, aber in der Biegezone 1.2, 1.2‘ in großer Wandstärke vorliegenden Werkstoff der Kabeltülle 1 durchaus große Biegeradien im Endbereichs des Kabels 7 zugelassen, was aber für die Dauerfestigkeit des Kabels 7 günstig ist. Die Verformung wird also nicht unterbunden. Vermieden werden hingegen kleine Biegeradien an einem konstanten Punkt, welche zum Bruch von Adern des Kabels 7 und/oder zum Aufreißen des polymeren Mantels des Kabels 7 führen können.
