DE4406824C2 - Scharnier mit Schwenkhemmung - Google Patents
Scharnier mit SchwenkhemmungInfo
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Classifications
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- E05D—HINGES OR SUSPENSION DEVICES FOR DOORS, WINDOWS OR WINGS
- E05D11/00—Additional features or accessories of hinges
- E05D11/08—Friction devices between relatively-movable hinge parts
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- E05D11/084—Friction devices between relatively-movable hinge parts with substantially radial friction, e.g. cylindrical friction surfaces the friction depending on direction of rotation or opening angle of the hinge
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
- E05Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES E05D AND E05F, RELATING TO CONSTRUCTION ELEMENTS, ELECTRIC CONTROL, POWER SUPPLY, POWER SIGNAL OR TRANSMISSION, USER INTERFACES, MOUNTING OR COUPLING, DETAILS, ACCESSORIES, AUXILIARY OPERATIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, APPLICATION THEREOF
- E05Y2900/00—Application of doors, windows, wings or fittings thereof
- E05Y2900/50—Application of doors, windows, wings or fittings thereof for vehicles
- E05Y2900/53—Type of wing
- E05Y2900/531—Doors
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Description
Die Erfindung betrifft ein einen Schwenkstop aufweisendes
Scharnier mit einem Lagerbolzen und je mindestens einem Lager
teil und einem Schwenkteil.
In manchen Einsatzfällen, von denen bspw. Autotüren ein sehr
häufiger und in seiner Funktion allgemein geläufiger Fall sind, wir
ken derartige Scharniere mit Einrichtungen zusammen, die in
mindestens einem Teilbereich des Schwenkwinkels die Schwenkbe
wegung bremsen, dem Schwenken Widerstand entgegensetzen.
Dadurch soll bspw. bei Autotüren erreicht werden, daß sie nicht
unbeabsichtigt zufallen, sondern auch dann, wenn das Auto
nicht waagrecht steht, in der geöffneten Stellung stehen blei
ben. Aber auch bei sonstigen, schwenkbar gelagerten Vorrich
tungen wie Türen, Fenstern, Maschinenabdeckungen, Klappsitzen
usw. stellt sich häufig die Aufgabe, die freie Schwenkbewegung
zu bremsen oder zu hemmen, um ein Verschwenken dieser Vorrich
tungen nur unter Aufwand bestimmter Kräfte zu ermöglichen und
sie so in bestimmten Stellungen zu halten.
Hierfür sind in der Regel gesonderte Einrichtungen erforder
lich, die zusätzlichen konstruktiven und baulichen Aufwand
erfordern und darüber hinaus verschleiß unterliegen, der ihre
Wirksamkeit mit zunehmender Zykluszahl beeinträchtigt.
Derartige Einrichtungen sind bspw. an Autotüren allgemein üb
lich. Autotüren haben in der Regel einen Schwenkbereich von
etwa 70° bis 75°. Kurz vor Erreichen dieses Schwenkwinkels,
bisweilen zusätzlich bei etwa der Hälfte dieses Schwenkwin
kels, ist ein sog. Schwenkstop eingebaut, zu dessen Überwin
dung eine erhöhte Kraft von bspw. 50 N erforderlich ist. Diese
Kraft ist höher als diejenigen Kräfte, die in aller Regel
durch Schrägstellung des Autos oder durch Winddruck auf die
Autotüre einwirken. Dadurch wird die Autotüre offen gehalten,
von Hand kann diese Kraft aber leicht überwunden und die Auto
türe bewegt werden.
In der Vergangenheit wurden bereits mehrfach Vorschläge ge
macht, einen Rast- oder Bremsmechanismus in das Scharnier
selbst zu integrieren. In der Regel waren hierfür komplizierte
geometrische Formen der Scharnierteile oder zusätzliche Bau
elemente wie bspw. Federn erforderlich.
Ausnahmen bilden in diesem Zusammenhang die Erfindungen von
Stapper (DE-GM 76 16 362) und Meadows (US-PS 36 00 743). Mea
dows verwendet abgeflachte Scharnierprofile in Verbindung mit
einem offenen, federelastischen Außenring, um das Einrasten
des Scharniers bei einer definierten Winkelstellung zu bewir
ken. Da in der Umgebung des Rastwinkels ein Drehmoment in
Richtung der Rast auftritt, eignet sich dieses Verfahren bevor
zugt zum automatischen Schließen von Türen. Wird die Rastposi
tion dagegen in den Öffnungsbereich der Tür verlegt, kann es
durch ungewolltes Einrasten des Scharniers und der damit ver
bundenen Bewegung der Tür zu Beschädigungen bspw. benachbarter
Autos kommen.
Stapper verwendet ebenfalls einen geteilten, federelastischen
Außenring, jedoch in Verbindung mit elliptischen Scharnierpro
filen. Durch Verdrehen der Scharnierteile gegeneinander und
das damit verbundene Aufspreizen des Außenringes wird eine
winkelabhängige Bremskraft erzeugt, ohne daß es zu einem Ein
rasten des Scharniers kommt.
Alle bisherigen Erfindungen weisen den Nachteil auf, daß die
bewegungshemmende Kraft jeweils durch Reibung zwischen ver
gleichsweise kleinen Flächen aufgebracht wird (Punkt- oder
Linienberührung). Als Folge hieraus können nur geringe Brems
momente erzeugt werden. Gleichzeitig unterliegen die hochbela
steten Reibflächen großem Verschleiß, ohne daß ein Nachstellen
möglich wäre.
Durch die im Hauptanspruch genannten Merkmale wird die Wirkung
externer Einrichtungen zum Halten verschwenkbarer Bauteile in
deren Scharnier integriert, ohne daß dabei die oben genannten
Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
Die erfindungsgemäßen Keilflächen sind Flächen, die in Um
fangsrichtung allmählich, flach über eine gedachte zylindri
sche Fläche um eine Welle ansteigen und steil wieder auf die
gedachte zylindrische Fläche abfallen bzw. in der zugehörigen
Nabe abfallen und steil wieder ansteigen. Sie sind auf den
gegeneinander verschwenkbaren Teilen in aufeinander abgestimm
ter Form, d. h. mit gleicher Steigung, gleicher Anzahl aber
gegenläufig angeordnet und bilden so Keilflächenpaarungen. Die
Steigung der Keilflächen beträgt typischerweise 1 : 50 bis
1 : 100, kann jedoch auch nur 1 : 500 sein oder bis auf etwa 1 : 20
ansteigen.
Zwischen den Keilflächenpaarungen besteht Spiel in dem Sinne,
daß in einer Winkelstellung der gegeneinander verschwenkbaren
Teile, in der die steil abfallenden Rücken der Keilflächenpaa
rungen aneinanderliegen, ein geringer radialer Abstand be
steht. Dieses Spiel ist erforderlich, um das Fügen von Welle
und Nabe, d. h. das ineinanderschieben in Achsrichtung zu er
lauben. Der Anstieg der Keilflächen, d. h. der radiale Abstand
zwischen ihrem tiefsten und ihrem höchsten Punkt ist jedoch in
jedem Falle größer als dieses Spiel.
Beim Verschwenken der Teile des Scharniers gleiten die Keil
flächen der Keilflächenpaarungen aneinander auf und verformen
dabei wenigstens eines der zusammenwirkenden Teile. Dies er
fordert infolge der aufzubringenden Verformungsarbeit und der
zu überwindenden Reibungskräfte Kraftaufwand, der die Schwenk
bewegung in der beabsichtigten Weise bremst und hemmt.
Für die verschiedenen Einsatzfälle des erfindungsgemäßen
Scharniers müssen die zusammenwirkenden Parameter zweckgerich
tet gewählt und aufeinander abgestimmt werden, um das Ausmaß
dieser Hemmung zu bestimmen. Diese Parameter sind hauptsäch
lich:
Je steiler diese Steigung ist, um so steiler steigt die zum
Verschwenken erforderliche Kraft mit zunehmendem Schwenkwinkel
an. Wenn diese Kraft etwa bei langen Steigungen oder bei ge
ringer Elastizität der gegeneinander verschwenkenden Schar
nierteile das zur Verfügung stehende Maß übersteigt, tritt
Haftschluß ein, das Scharnier wird zur drehfesten Welle/Nabe-
Verbindung.
Da die gegeneinander verschwenkenden Scharnierteile nach Über
laufen der höchsten Erhebungen der Keilflächen infolge der
steil abfallenden Rücken der Keilflächen in der Regel nicht
zurückgeschwenkt werden können, bestimmt die Länge der Keil
flächen in Umfangsrichtung die Obergrenze des zur Verfügung
stehenden Schwenkwinkels.
Der Reibungsbeiwert der aneinander gleitenden Keilflächen:
Da in die zum verschwenken erforderliche Kraft auch die Reib
kraft zwischen den aneinander gleitenden Keilflächen eingeht,
beeinflußt der Reibungsbeiwert nicht nur die Kraft zum Schwen
ken, sondern auch den Verschleiß des Scharniers.
Gegenseitiger Abstand der Keilflächen bei Aneinanderliegen der
Keilrücken bzw. Schwenkwinkel aus dieser Ausgangslage bis zum
Anliegen der Keilflächen:
Dieser Abstand muß erst durch Verschwenken der Teile bis zur Anlage der Keilflächen überbrückt werden, bevor die hemmende Wirkung der Keilflächenpaarungen eintritt. Dieser Abstand be einflußt daher ebenfalls wesentlich, welche Kraft nach Durch laufen welchen Schwenkwinkels zum Verschwenken erforderlich wird.
Dieser Abstand muß erst durch Verschwenken der Teile bis zur Anlage der Keilflächen überbrückt werden, bevor die hemmende Wirkung der Keilflächenpaarungen eintritt. Dieser Abstand be einflußt daher ebenfalls wesentlich, welche Kraft nach Durch laufen welchen Schwenkwinkels zum Verschwenken erforderlich wird.
E-Modul der Materialien der gegeneinander verschwenkenden
Scharnierteile:
Je geringer dieser E-Modul ist, um so geringer ist der Anstieg der mit zunehmendem Schwenkwinkel zum Verschwenken erforderli chen Kraft.
Je geringer dieser E-Modul ist, um so geringer ist der Anstieg der mit zunehmendem Schwenkwinkel zum Verschwenken erforderli chen Kraft.
Eine allgemeingültige Regel für die richtige Wahl dieser Para
meter kann infolge der Vielzahl unterschiedlicher Anforderun
gen an Scharniere unterschiedlichster Anwendungen und des
vielschichtigen Zusammenwirkens der vielen Parameter nicht
aufgestellt werden. Dem Fachmann sind diese Parameter aber aus
dem Maschinenbau bekannt, so daß er die für den jeweiligen
Anwendungsfall zweckmäßige Kombination der Parameter ohne er
finderisches Zutun auffinden kann.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 3
erfolgt eine Vorverformung eines unter einer Keilfläche lie
genden Bereiches eines Scharnierteils im plastifizierten Be
reich. Hierfür werden die oben aufgeführten Parameter so ge
wählt, daß das unter der Keilfläche liegende Material bei ei
nem ersten, einmaligen Überdrehen des Scharniers, d. h. einem
Hinwegdrehen der Keilflächenpaarungen über ihre höchste Erhe
bung hinaus, plastisch verformt wird. Durch die plastische
Verformung wird eine Strukturänderung des Materials
(Kaltverfestigung) bewirkt, die sich positiv auf die Ver
schleißeigenschaften des Scharniers auswirkt.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
4 erfolgt das Verformen eines unter einer Keilfläche liegenden
Bereiches eines Scharnierteiles überwiegend im nicht plastifi
zierten Bereich. D.h., das Teil erfährt beim Verformen keine
Änderung seiner inneren Struktur und kehrt beim Zurückschwen
ken in seine ursprüngliche Form zurück. Dies wird dann er
reicht, wenn das Material, aus dem das verformte Teil besteht,
eine hohe Streckgrenze aufweist, der Schwenkwinkel nur gering
ist oder/und die Steigung der Keilflächen gering ist, bspw.
1 : 500 beträgt.
Die beabsichtigte Hemmwirkung wird bereits mit einer sich im
wesentlichen über den ganzen Umfang eines Lagers erstreckenden
Keilflächenpaarung erreicht. In vielen Fällen ist jedoch die
Anordnung von mehreren Keilflächenpaarungen gemäß Anspruch 6
vorteilhaft.
Die Größe der Schwenkhemmung beim Verschwenken eines mittels
des erfindungsgemäßen Scharniers gelagerten Teiles kann gemäß
Anspruch 7 durch die Breite der Keilflächen in weitem Bereich
gewählt werden, also durch die Länge der mittels ihrer Keil
flächenpaarungen miteinander in Wirkverbindung stehenden Wel
le/Nabebereiche der Scharnierteile in Richtung deren Drehach
se.
Durch die gemäß Anspruch 8 veränderbare Winkelstellung des
Bolzens des Scharniers in Bezug auf das ihn haltende und damit
auch auf das von ihm gelagerte Scharnierteil kann der Schwenk
winkelbereich des Scharniers in Bezug auf den Verformungswin
kelbereich der Keilflächenpaarungen verstellt werden. Dies
eröffnet vielfältige Einstellmöglichkeiten. So kann dadurch
das Spiel zwischen den Keilflächenpaarungen vermindert oder
ganz ausgeschaltet werden, wodurch Spielfreiheit des Schar
niers erreichbar oder nach Verschleiß wieder herstellbar ist -
das Scharnier ist nachstellbar. Es ist auch möglich, durch
entsprechende Einstellung zu erreichen, daß beim Beginn des
Verschwenkens bereits merkliche Hemmung vorhanden ist.
Schwenk- und Verformungs-Winkelbereich können so gelegt wer
den, daß die Hemmwirkung mit zunehmendem Verschwenkwinkel zu
nimmt oder nach Überschreiten eines Höchstwert es wieder ab
nimmt.
Eine besonders vorteilhafte Lösung ist gemäß Anspruch 9 da
durch gekennzeichnet, daß die Winkel-Verstellbarkeit des Bol
zens ebenfalls mittels Keilflächenpaarung erfolgt. In einer
besonders einfachen Lösung werden dazu die für Hemmung der
Schwenkbewegung vorgesehenen Keilflächenpaarungen mit verwen
det. Dies ist dann möglich, wenn die Keilflächenpaarungen zum
Befestigen des Bolzens in einen Winkelbereich gedreht werden
können, der beim Verschwenken des Scharniers nicht erreicht
wird. Dadurch werden zum Befestigen des Bolzens Momente er
reicht, die über denjenigen liegen, die beim Verschwenken des
Scharniers erreicht werden. Anderenfalls kann die Breite der
zum Befestigen des Bolzens dienenden Keilflächenpaarungen ge
genüber den zur Lagerung dienenden erhöht werden. Es können
jedoch auch zum Befestigen des Bolzens Keilflächenpaarungen
mit anderen Parametern, insbesondere mit steilerer Steigung
verwendet werden, mit denen allgemein größere Momente erreicht
werden.
Das Befestigen des Bolzens mittels Keilflächenpaarungen hat
auch den Vorteil, daß er bspw. bei ungewöhnlichem Verschleiß
leicht ausgetauscht werden kann. Dem Verschleiß selbst kann
durch geeignete Oberflächenbehandlung der Keilflächenpaarungen
wie bspw. Nitrieren entgegengewirkt werden.
Wie erwähnt können die Scharnierteile nicht zurückgedreht wer
den, wenn die höchsten Erhebungen der Keilflächen übereinander
weggelaufen sind. Da eine Keilflächenpaarung sich über nicht
mehr als 360° erstrecken kann, und ihr nutzbarer Schwenkwinkel
daher 300° kaum übersteigen dürfte, sieht die Erfindung in
Anspruch 10 eine rohrförmige Lagerzwischenhülse vor, die keine
feste Verbindung zu einem der gegeneinander verschwenkenden
Scharnierteile hat und insoweit als frei drehbar anzusprechen
ist. Sie weist sowohl auf ihrer Außenseite als auch auf ihrer
Innenseite Keilflächen auf, die mit den jeweils gegenüberste
henden Keilflächen kompatibel sind. Dabei müssen die Parameter
der zwei Kreiskeilpaarungen auf der Innen- und der Außenseite
der Lagerzwischenhülse nicht übereinstimmen.
Diese Lagerzwischenhülse bietet die Möglichkeit, entweder den
Schwenkwinkel des mit ihr ausgestatteten Scharniers zu erhöhen
- bspw. bei zwei Kreiskeilpaarungen die sich jeweils über 360°
erstrecken, auf annähernd 600° - oder die Anzahl der Kreis
keilpaarungen unter Beibehalten eines gegebenen Schwenkwinkels
zu erhöhen - bei einem Schwenkwinkel von 300° bspw. je zwei
Kreiskeilpaarungen auf dem Umfang der gegeneinander verschwen
kenden Scharnierteile.
In Anspruch 12 und den Unteransprüchen 13 und 14 ist ein Ver
fahren zum Herstellen eines plastifizierten Scharnierteils
gemäß Anspruch 2 genannt und weiterbildend beschrieben.
In den Figuren der Zeichnung sind das Wirkungsprinzip der Er
findung und einige typische Ausführungsformen dargestellt. Es
zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Scharnier mit
Keilflächen auf den Schwenklagerflächen;
Fig. 2 die Ansicht eines Scharniers gemäß Fig. 1;
Fig. 3 die Ansicht eines anders ausgeführten Scharniers;
Fig. 4 das Kraft/Drehwinkel-Diagramm einer Scharnier-
Verbindung gemäß der Erfindung mit beispielshalber
zwei Keilflächen auf dem Umfang;
Fig. 5 und 6 Kraft/Schwenkwinkel-Diagramme von
Arbeitsbereichen erfindungsgemäßer Scharniere;
Fig. 7 bis 10 Kraft/Schwenkwinkeldiagramme von Scharnieren
mit einer und mehreren Keilflächen-Paarungen auf dem
Umfang der Schwenklagerflächen;
Fig. 11 bis 13 teilweise geschnittene Ansichten von Scharnieren
mit zylindrischem Lagerbereich;
Fig. 14 Draufsicht auf ein Scharnier mit eingebautem
Schwenkanschlag;
Fig. 15 und 16 teilweise geschnittene Ansicht bzw. Draufsicht
auf ein Scharnier mit Lagerzwischenhülse.
Fig. 1 zeigt ein Scharnier in seiner einfachsten Form, in der es
ein festes Lagerteil 1, ein bewegliches Schwenkteil 2 und einen
diese beiden Teile schwenkbar miteinander verbindenden Bolzen 3
aufweist. Dabei ist der Bolzen 3 entweder im Lagerteil 1 oder im
Schwenkteil 2 drehfest. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung dieses
Scharniers, in der das Lagerteil 1 den Bolzen 3 in zwei Bereichen
lagert bzw. haltert. Es versteht sich, daß eine Vielzahl weiterer
Ausführungsformen derartiger Scharniere möglich ist.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist der erfindungsgemäße Bolzen 3 min
destens in demjenigen Bereich seiner Länge, in dem er drehbar im
Lagerteil 1 oder im Schwenkteil 2 sitzt, auf seinem Umfang mit in
der dargestellten Ausführungsform zwei, um 180° um den Umfang
versetzten Keilflächen 4, 4′ versehen, die in Umfangsrichtung
allmählich über eine gedachte, gestrichelt eingezeichnete Zylin
der fläche 5 ansteigen und steil wieder auf diese abfallen. Das
Lagerteil 1 oder das Schwenkteil 2, in dem der Bolzen 3 drehbar
ist, weist komplementäre Keilflächen 6, 6′ auf, sich allmählich
von einer gedachten, strichpunktiert eingezeichneten Zylinder
fläche 7 absenken und steil wieder zu dieser ansteigen. In Fig. 1
ist die Steigung der Keilflächen der Deutlichkeit halber stark
überhöht dargestellt. Maßstabsgerecht würde der unterschied zwi
schen den Radien zum innersten bzw. zum äußersten Punkt der
Keilflächen bei einer Steigung von bspw. 1 : 100 nur etwa 0,4 mm
betragen.
Zwischen den Keilflächen 4, 4′ und 6, 6′ liegt ein enger Spalt,
der einerseits durch unvermeidliche Fertigungstoleranzen bedingt
ist, andererseits aber für das Fügen der Scharnierteile unver
zichtbar ist.
Beim gegenseitigen Verdrehen von Bolzen 3 und Lagerteil 1 oder
Schwenkteil 2 in Pfeilrichtung nähern sich zunächst die Keilflä
chen 4 und 6 bzw. 4′ und 6′, bis der Spalt zwischen den Keilflä
chen verschwunden ist, die Keilflächen also aneinanderliegen.
Beim weiteren Verdrehen verdrängen sich dann die unter den Keil
flächen liegenden Kreiskeile und verformen dabei den nachgie
bigeren Teil des Scharniers, in der Regel die Nabe 8 des Lager
teils 1 oder des Schwenkteils 2. Hierfür ist zunehmender Kraft
aufwand erforderlich, der das Scharnier mit zunehmendem
Verschwenkwinkel schwergängiger werden läßt.
Im Kraft/Drehwinkel-Diagramm der Fig. 4 ist über dem Drehwinkel
in der Abszisse das Drehmoment in der Ordinate bspw. in Nm je mm
Lagerlänge aufgetragen. Dargestellt sind beispielshalber die
Verläufe der Drehmomente an zwei Scharnieren mit jeweils zwei,
sich über jeweils 180° erstreckenden Keilflächenpaarungen, jedoch
unterschiedlicher Steigung und unterschiedlichen Materials. Als
Ausgangspunkt ist jeweils eine Winkelstellung gewählt, bei der
das spiel zwischen den Keilflächenpaarungen bereits überbrückt
ist. Daher steigen die Momente aus dem Drehwinkel Null sofort an.
Die strichpunktierte Linie 9 gibt den Verlauf des Momentes bei
einer Steigung der Keilflächen von 1 : 500 wieder, bei der Verfor
mung nur im elastischen Bereich erfolgt. Das Moment steigt in
einem sich abflachenden Ast 10 auf den Höchstwert 11 an, der bei
einem Schwenkwinkel von etwa 60° erreicht wird um dann wieder im
Ast 12 abzufallen. Der Höchstwert 11 des Momentes wird bei einem
Drehwinkel erreicht, der etwa in der Mitte zwischen dem Beginn
des Anstiegs des Momentes und seinem Abfall auf den Wert null
liegt, obwohl die stärkste Verformung der Nabe durch die größte
Höhe der Keilflächen erst kurz vor einem Drehwinkel von 180° er
reicht wird. Das hat seine Ursache vor allem darin, daß die
Überdeckung der Keilflächen 4, 4′ und 6, 6′ und damit das Volumen
der Verformung mit zunehmendem Drehwinkel abnimmt. Zwar nimmt
auch die Größe der Fläche ab, auf der die Keilflächen 4, 4′, 6,
6′ aufeinander reiben, diese Abnahme der Reibungsfläche wird aber
im wesentlichen durch den höheren Normaldruck auf der verblei
benden Reibfläche ausgeglichen, so daß von annähernd gleichblei
bender Reibkraft ausgegangen werden kann.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Ver
formen der Nabe 8 eines der Lagerteile 1 oder 2 in diesem ela
stischen Bereich. Die erreichte Verformung wird also beim Zu
rückschwenken rückgängig gemacht und kann beliebig oft wiederholt
werden. Es hat sich gezeigt, daß bei richtiger Wahl der Werk
stoffpaarung Bolzen 3/Lagerteil 1 bzw. Schwenkteil 2 auch bei
sechsstelligen Schwenkzyklen kein Ermüden des Scharniers, d. h.
kein die beabsichtigte Funktion des Scharniers beeinträchtigender
Abfall des zum Verschwenken erforderlichen Momentes eintritt.
In der ausgezogenen Linie 13 und der gestrichelten Linie 14 der
Fig. 4 ist der Verlauf des Momentes bei plastischer Verformung
nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die
Steigung der Keilflächen beträgt hier 1 : 100, so daß das Moment im
Ast 10 sehr viel steiler ansteigt und einen wesentlich höheren
Wert erreicht als im ersten Beispiel. Bei einem ersten Durch
schwenken des Scharniers über 180° hinaus, bei dem die Keilflä
chenpaarungen sich also vollständig überlaufen, wird das Material
mindestens eines der Scharnierteile so weit verformt, daß
Plastifizierung erfolgt. Dabei steigt das Moment auf den Höchst
wert 11′ an. Beim nächsten Schwenkzyklus steigt die Kraft nur
mehr auf den geringeren Wert 11′′ an, der auch bei allen weiteren
Verformungszyklen nicht mehr überschritten wird. Dieser Wert 11′′
hat sich als bleibend in dem Sinne erwiesen, als er sich auch
über sechsstellige Verformungszyklen nur mehr unwesentlich ver
ändert.
Wie ersichtlich, können mit einem Scharnier mit derartig
plastifizierten Teilen Momente je Längeneinheit der Lagerflächen
erreicht werden, die ein Mehrfaches, bspw. das Vier- bis Fünf
fache der Momente betragen, die mit einem Scharnier erreichbar
sind, in dem nur von der elastischen Verformbarkeit der Lager
teile Gebrauch gemacht wird. So wird in dem in′ Fig. 4 darge
stellten Beispiel mit elastischer Verformung ein höchstes Moment
11 von etwa 1,39 Nm je mm Lagerlänge erreicht, während das höch
ste Moment 11′′ bei plastisch verformten Teilen etwa 5,84 Nm je mm
Lager länge erreicht.
Einem Verschleiß des Scharniers durch Materialabtragung oder
Korrosion kann durch entsprechende Oberflächenbehandlung der
Keilflächen 4, 4′, 6, 6′ wie bspw. Nitrieren entgegengewirkt
werden. Dagegen bringt schmieren des erfindungsgemäßen Scharniers
keine erkennbaren Vorteile. Es läßt den Reibungsbeiwert auf etwa
ein Drittel abfallen. Da die Reibkraft jedoch nur den kleineren
Teil zu der zum Verschwenken des mittels des Scharniers gela
gerten Teils erforderlichen Kraft beisteuert, sinkt das Moment
nicht wesentlich ab. Die hohe Flächenpressung zwischen den Keil
flächen drückt das Schmiermittel im übrigen nach wenigen
Schwenkzyklen aus der Lagerfuge, so daß wieder die stabilen Ver
hältnisse der Trockenreibung eintreten. Das erfindungsgemäße
Scharnier ist daher wartungsfrei.
Das Plastifizieren als notwendiger Bearbeitungsgang in der Fer
tigung eines Scharniers dieser Ausführungsform kann mittels eines
kalibrierten Plastifizierwerkzeuges erfolgen, das je nachdem dem
Bolzen 3 oder - wohl nur ausnahmsweise - dessen Gegenstücken La
gerteil 1 oder Schwenkteil 2 entspricht. Derartig plastifizierte
Teile sind frei kombinierbar, bspw. als Ersatzteile verwendbar.
Das Plastifizieren kann aber auch anhand der einzusetzenden Teile
selbst erfolgen, wobei jedoch die Paarung der miteinander
plastifizierten Teile beibehalten werden sollte.
Die Steilheit der Steigung der Keilflächen 4, 4′, 6, 6′ wird in
Abhängigkeit von den materialspezifischen Eigenschaften des
Stahls gewählt, aus dem das zu plastifizierende Scharnierteil
gefertigt wird. Hierfür eignen sich insbesondere Stahlsorten, die
duktiles Verhalten zeigen. Da die spezifischen Eigenschaften der
verwendeten Stahlsorte für die erfindungsgemäß angestrebte Funk
tion des Scharniers sehr wesentlich sind, wird verständlich, daß
elastisches bzw. plastisches Verhalten mit sich in Teilbereichen
überdeckenden steigungswerten erreichbar ist, wie dies in den in
den Ansprüchen 4 bzw. 6 zum Ausdruck kommt.
In der Regel ist die Nabe 8 des Lagerteils 1 oder des Schwenk
teils 2 elastisch verformbar oder plastifizierbar ausgebildet. In
manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Bolzen 3 elastisch
verformbar oder plastifizierbar auszuführen, er ist dann zweck
mäßigerweise hohl ausgebildet.
Im Einbauzustand wird ein Scharnier nur über einen begrenzten
Drehwinkel verschwenkt. Der Schwenkwinkel des erfindungsgemäßen
Scharniers mit Keilflächen ist durch deren Wirkungsprinzip inso
weit beschränkt, als die Teile nach Überlaufen der Rücken der
Keilflächen 4, 4′, 6, 6′ infolge deren steilen Abfalls nicht zu
rückgedreht werden könnten. Der Schwenkwinkel darf also im Bei
spiel der Fig. 5 und 6, in denen die erforderliche Schwenkkraft
über einen vollen Schwenkzyklus von 180° ebenfalls zweier Keil
flächenpaarungen auf dem Umfang dargestellt ist, einen Betrag von
etwa 160° nicht überschreiten. Im Beispiel der Autotüre wird aus
diesem Bereich ein Fenster von nur 70° bis 75° beansprucht. Die
ses Schwenkbereichsfenster 15 kann durch die Winkelstellung des
Bolzens 3 beliebig gelegt werden. In Fig. 5 ist es bspw. so ge
legt, daß zum schwenken der Autotüre eine Kraft notwendig ist, die
von etwa 13 N beim öffnen der Türe auf etwa 70 N beim Erreichen
eines Öffnungswinkels von 66° ansteigt und beim Erreichen voller
Türöffnung bei 75° auf etwa 69 N absinkt. Die Türe bleibt also in
allen Öffnungsstellungen stehen, d. h. sie geht nicht von selbst
auf oder fällt nicht von selbst zu.
Im Beispiel der Fig. 6 ist das Schwenkbereichsfenster 15′ so ge
legt, daß die Kraft beim öffnen oder schließen der Türe etwa 43 N
beträgt, bei einem Schwenkwinkel von 45° auf 70 N ansteigt und
beim vollen Öffnungswinkel auf etwa 57 N abfällt. Es wird hier
also ein deutlich fühlbarer Türstopp bei etwa 45° im Schwenkbe
reichsfenster 15′ erreicht.
Die Höhe der Momente, die zum Verschwenken eines mit dem
erfindungsgemäßen Scharniers gelagerten Bauteils erforderlich
sind, kann durch die achsiale Länge der Lagerflächen der mitein
ander in Wirkverbindung tretenden, mit Keilflächen versehenen
Teile Bolzen 3 und Scharnierlager 1 oder Bolzen 3 und Schwenkteil
2 beliebig gewählt werden. Die in Fig. 4 dargestellten Kräfte
können bspw. mit einer achsialen Länge der miteinander in Wirk
verbindung tretenden Keilflächen von nur 8 mm erreicht werden.
Scharniere der erfindungsgemäßen Art bauen daher trotz Integra
tion der Türstoppfunktion in aller Regel kleiner als die geläu
figen Scharniere ohne Türstopp.
Der Schwenkwinkel, in dem ein zu verschwenkendes Teil wie eine
Türe, ein Fenster, eine Abdeckung usw. dem Verschwenken einen im
Ast 10 zunächst zunehmenden und dann im Ast 12 abnehmenden Wi
derstand entgegensetzt, kann durch die Anzahl der um den Umfang
der gegeneinander verschwenkten Teile angeordneten Keilflächen
paarungen bestimmt werden.
So beginnt bspw. das Moment bei Anordnung nur einer Keilflächen
paarung über 360° gemäß Fig. 7 nach Überbrücken des Fügespaltes
bei etwa 40° anzusteigen. Es erreicht bei etwa 180° seinen
Höchstwert 11 und fällt dann bis 360° wieder ab. Selbst wenn
stetes Anliegen eines Mindestmomentes verlangt wird, steht ein
mit Drehmoment belasteter Schwenkwinkel von bis zu mindestens
240° zur Verfügung, was auch für voll, d. h. um 180° aufschwin
gende Türen bei weitem ausreichend ist.
Wenn die vorkommenden Schwenkwinkel geringer sind, können drei,
vier, praktischerweise bis zu sechs Keilflächenpaarungen einge
setzt werden. In den Fig. 8, 9 und 10 sind Beispiele für den Mo
mentenverlauf bei Einsatz von drei, vier und sechs Kreiskeilpaa
rungen dargestellt. Wie ersichtlich, vermindern sich die verfüg
baren Bereiche der Schwenkwinkel umgekehrt proportional zur An
zahl der Keilflächenpaarungen.
Der Bolzen 3 kann auf beliebige, geläufige Art im Lagerteil 1
oder im Schwenkteil 2 befestigt sein, sofern die Befestigungsart
geeignet ist, den Bolzen drehfest genug zu haltern.
Da für die erfindungsgemäße Wirkungsweise des Scharniers die
Winkelstellung des Bolzens 3, in der er in dem ihn halternden
Lager- oder Schwenkteil 1 bzw. 2 befestigt ist, ausschlaggebend
ist, ist eine Befestigungsweise, mittels der diese Winkelstellung
einfach eingestellt und bleibend gesichert werden kann, sehr
wichtig. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, den Bolzen 3 eben
falls mittels einer Keilflächenpaarung, insbesondere der bereits
auf dem Bolzen vorhandenen Keilflächenpaarung in einem der
Scharnierteile 1 oder 2 zu befestigen. Dazu weist auch das be
treffende Scharnierteil 1 oder 2 eine entsprechende Keilflächen
paarung auf. Beim Einsatz plastifizierbarer Scharnierteile er
folgt das Befestigen des Bolzens 3 dadurch, daß er gewissermaßen
im ersten Verformungszyklus der Fig. 4 in einen Bereich, also in
eine Winkelstellung gedreht wird, in der die Kraft zu seinem
Verdrehen über dem Wert 11′′ der plastifizierten Keilflächenpaa
rungen liegt. Diese der Festlegung des Bolzens zugeordnete Kraft
in der Keilflächenpaarung zwischen dem Bolzen und dem ihn hal
ternden Teil wird beim Schwenken des Scharniers von der dem
schwenken der Teile zugeordneten Kraft in der Keilflächenpaarung
zwischen den schwenkenden Teilen nicht erreicht, der Bolzen
bleibt daher befestigt. Trotzdem kann er gelöst und daher bspw.
bei Verschleiß ausgetauscht werden oder es kann durch Drehen des
Bolzens 3 der Fensterbereich 15, 15′ des Schwenkwinkels der
schwenklagernden Keilflächenpaarung verändert oder Spiel ausge
glichen werden.
Es ist jedoch auch möglich, den Bereich des Bolzens 3 und des
Lagerteils 1 oder 2, in dem der Bolzen befestigt werden soll, mit
Keilflächen mit steilerer Steigung von bspw. 1 : 50 auszustatten.
Mit dieser Steigung kann Reibschluß erzielt werden, dessen
Haltekraft wesentlich über den Momenten liegt, die beim
Verschwenken der durch das Scharnier gelagerten Teile auftreten.
So zeigt Fig. 11 ein Scharnier, dessen Bolzen 3 im Lagerteil 1
mittels Keilflächenpaarungen befestigt ist, die im Bolzenbereich
3′ durch parallele strichpunktierte Linien angedeutet sind. Der
Bolzen 3 kann an den 6-Kant-Schlüsselflächen 16 verdreht werden,
bis er im Lagerteil 1 fest sitzt. Gegebenenfalls kann er auch
wieder gelöst werden. Im Bereich 3′′ weist der Bolzen 3 ebenfalls
Keilprofilpaarungen auf, auf denen das Schwenkteil 2 drehbar ge
lagert ist. Die Keilflächenpaarungen im Bereich 3′′ können andere
Parameter, insbesondere andere, flachere Steigung aufweisen als
diejenigen im Bereich 3′, damit die im Bereich 3′′ auftretenden
Momente beim schwenken des Scharniers jedenfalls deutlich unter
denjenigen bleiben, bei denen die Befestigung des Bolzens im Be
reich 3′ gelockert wird.
Das Scharnier der Fig. 11 weist ferner im Lagerbereich des Bol
zens 3 und des Schwenklagerteils 2 einen zylindrischen Abschnitt
17 auf, durch den ein exaktes Führen des Schwenklagerteils 2 er
folgt.
In der Variante der Fig. 12 ist das Schwenklagerteil 2 zwischen
dem Lagerteil 1 und dem Kopf 18 des Bolzens 3 angeordnet, so daß
es im Gegensatz etwa zur Ausführungsform der Fig. 11 nicht axial
abgezogen werden kann. Die Keilflächenpaarungen entsprechen den
bei Fig. 11 beschriebenen.
In der Variante der Fig. 13 dient der zylindrische Kopf 18 des
Bolzens 3 als zylindrischer Lagerbereich. Der Bolzen 3 ist hier
mittels eines Innensechskants 19 im Kopf 18 drehbar. Das Befe
stigen des Bolzens 3 im Lagerteil 1 im Bereich 3′′ erfolgt hier
mittels derselben Keilflächenpaarung, mittels der das Lagerteil 2
im Bereich 3′ schwenkbar auf dem Bolzen gelagert ist.
In vielen Fällen, so bspw. auch bei der bereits mehrfach angezo
genen Autotüre, müssen Scharniere einen festen Endanschlag auf
weisen. Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierfür, bei dem
der mit strichpunktiert angedeuteten Keilflächenpaarungen 4, 6
versehene Bolzen 3 eines Scharniers eine Nase 20 aufweist, die in
eine Nut 21 des auf dem Bolzen schwenkbaren Scharnierteils, hier
des Schwenkteils 2, eingreift. Die Länge der Nut 21 in Umfangs
richtung ist begrenzt und legt mit ihren Endflächen 22 den Winkel
fest, um den das Schwenkteil 2 auf dem Bolzen 3 verschwenkt wer
den kann.
In den Fig. 15 und 16 ist ein Scharnier mit einer Lagerzwi
schenhülse 23 gezeigt, die sowohl auf ihrer Innenfläche 24 als
auch auf ihrer Außenfläche 25 mit Keilflächen 4 bzw. 6 versehen
ist, wobei die inneren Keilflächen mit entsprechenden Keilflächen
auf dem Bolzen 3, die äußeren Keilflächen mit entsprechenden
Keilflächen im Schwenklagerteil 2 zusammenwirken. Die Keilflä
chenpaarungen erstrecken sich um einen Winkel von nahezu 360°.
Beim Verschwenken dieses Scharniers wird zunächst eine der beiden
Kreiskeilpaarungen 4/6 aufzulaufen beginnen. Da mit zunehmendem
Schwenkwinkel das aufzubringende Moment ansteigt, wird auch die
andere Keilflächenpaarung beginnen, auf zulaufen. Die "schwimmen
de" Lagerzwischenhülse 23 wird also im Gleichgewicht der an ihrer
inneren Keilflächenpaarung und an ihrer äußeren Keilflächenpaa
rung auftretenden Momente annähernd im halben Schwenkwinkel der
gegeneinander verschwenkten Teile 1 und 2 mitgenommen. Da die
beiden Keilflächenpaarungen sich über je fast 360° erstrecken,
können die verschwenkenden Teile 1, 2 über einen Winkel von bis
zu 600° verschwenkt werden, ohne daß sich die Keilflächenpaa
rungen überlaufen. Gegebenenfalls können zwischen den Teilen 1, 2
und 23 nicht näher dargestellte Anschläge vorgesehen werden, die
ein Überlaufen von Keilflächenpaarungen verhindern.
Beim Zurückschwenken des Scharniers überwiegt der Abfall des Mo
mentes zwischen einer der Keilflächenpaarungen 4, 6 den Abfall
zwischen der anderen Keilflächenpaarung. Beim Abfall der Momente
findet kein Ausgleich statt. Es wird sich also zunächst eine der
Keilflächenpaarungen 4, 6 ganz zurückdrehen, bis die steil ab
fallenden Rücken ihrer Keilflächen aneinanderliegen. Da diese
Keilflächenpaarung sich dann nicht weiter zurückdrehen kann, wird
bei weiterem Zurückschwenken die andere Keilflächenpaarung zu
rückgedreht.
Claims (14)
1. Scharnier mit einem Lagerbolzen und mindestens einem Lager
teil und einem Schwenkteil, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Lagerfläche des La
gerbolzens (3) wenigstens eine in Umfangsrichtung radial an
steigende Keilfläche (4, 4′) und auf der Lagerfläche des
jenigen Lagerteils (1) oder desjenigen Schwenkteils (2), in
dem der Lagerbolzen drehbar ist, entsprechend eine gleiche
Anzahl Keilflächen (6, 6′) angeordnet ist, die die gleiche
Steigung wie die Keilflächen am Lagerbolzen haben derart, daß
sie Keilflächenpaarungen bilden, die über den gesamten Dreh
winkel in ihrem Überdeckungsbereich im wesentlichen flächig
aneinanderliegen.
2. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Be
reiche der Keilflächen plastisch vorverformt (plastifiziert)
sind.
3. Scharnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
durch das Auflaufen der Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) beim Ver
schwenken auftretende Verformen wenigstens eines der Teile (1,
2, 3) des Scharniers überwiegend im plastifizierten Bereich
erfolgt.
4. Scharnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
durch das Auflaufen der Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) beim Ver
schwenken auftretende Verformen wenigstens eines der Teile (1,
2, 3) des Scharniers überwiegend im nicht plastifizierten Be
reich erfolgt.
5. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steigung der Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) zwischen 1 : 100 und
1 : 50 liegt.
6. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über
den Umfang der mit Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) versehenen
Scharnierteile (1, 2, 3) in Abhängigkeit vom vorgesehenen
Schwenkwinkel das Scharniers eine Paarung oder mehrere Paarun
gen von Keilflächen angeordnet sind.
7. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Größe der zum Verschwenken des Scharniers erforderlichen Kraft
durch die wirksame Breite der auf den Scharnierteilen (1, 2,
3) angeordneten Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) in Richtung der
Schwenkachse wählbar ist.
8. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Winkelstellung des Bolzens (3) um seine Längsachse in dem ihn
halternden Scharnierteil (1, 2) veränderbar ist.
9. Scharnier nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bolzen (3) in dem ihn halternden Scharnierteil (1, 2) mittels
wenigsten einer Keilflächenpaarung (4, 6) gehaltert ist.
10. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Lagerflächen zweier auf ihren Lagerflächen mit
Paarungen von Keilflächen (4, 4′; 6, 6′) versehener, ge
geneinander verschwenkbarer Scharnierteile (1, 2, 3) eine frei
drehbare, auf ihrer Innenfläche (24) und auf ihrer Außenfläche
(25) mit den gegenüberliegenden Keilflächen (4, 6) entspre
chenden Keilflächen versehene Lagerzwischenhülse (23) angeord
net ist.
11. Scharnier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an
einem der gegeneinander verschwenkenden Scharnierteile (1/3;
2/3) eine Nase (20) angeordnet ist, die in einem sich nur
über einen Teil des Lagerumfangs erstreckende Nut (21) des
jeweils anderen Scharnierteils eingreift.
12. Verfahren zum Herstellen von mit plastifizierten Keilflä
chen versehenen Scharnierteilen nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu
plastifizierende Scharnierteil durch Drehen eines harten Werk
zeugs mit Gegen-Keilflächen in Arbeitsstellung um einen Dreh
winkel von mindestens 360°/k, wobei k die Anzahl der Keilflä
chenpaarungen der Scharnierteile ist, beansprucht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkzeug kalibriert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkzeug das Gegenstück einer Keilflächenpaarung ist.
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