EP0836576A1 - Federnde scharnieranordnung, z.b. für einteilig gespritzte kunststoffverschlüsse - Google Patents
Federnde scharnieranordnung, z.b. für einteilig gespritzte kunststoffverschlüsseInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine federnde Scharnieranordnung ohne Hauptscharnier mit mindestens zwei Scharnierteilen. Zwischen den Scharnierteilen sind eine oder mehrere in Serie angeordnete Kippstufen (1) vorhanden. Diese Kippstufen (1) weisen je mindestens zwei Verbindungselemente auf, die je durch ein biegesteifes Druckelement (2.4, 2.5) und ein zugelastisches Zugelement (3.3, 3.4) gebildet werden. Die Verbindungselemente sind je über gelenkige Verbindungen (10) an Zwischengliedern (2.3, 2.4) oder direkt an den Scharnierteilen befestigt. Mittels mindestens einem zugeordneten Schubelement (4.3, 4.4) sind die Druck- und Zugelemente mindestens annähernd schubsteif gegeneinander angeordnet.
Description
FEDERNDE SCHARNIERANORDNUNG; Z.B. FOR EINTEILIG GESPRITZTE
KUNSTSTOFFVERSCHLOSSE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scharnier gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verschiedene federnde Scharniere, wie sie insbesondere bei einteilig gespritz¬ ten Kunststoffverschlüssen Anwendung finden, sind aus dem Stand der Tech¬ nik bekannt. Regelmässig soll bei solchen Scharnieren für Kunststoffverschlüs- se ein sogenannter Schnappeffekt bewirkt werden. Als Schnappeffekt versteht man ein selbstständiges Öffnen des Scharniers nach einer bestimmten aufge- zwungenen Anfangsauslenkung (Totpunkt) des Scharniersystems sowie einen analogen Effekt beim Schliessen, indem das Scharnier nach Überschreiten ei¬ nes Totpunkts selbständig in eine geschlossene Lage zurückkehrt. Dieser Ef¬ fekt wird grundsätzlich von speziellen Federelementen übernommen. Im Zu¬ sammenhang mit solchen Schnappeffekten gelten die Schnappkraft und der Wirkungswinkel als charakteristische Grossen. Als Schnappkraft versteht man den Widerstand den das Scharniersystem dem Öffnen bzw. dem Schliessen entgegenbringt. Der Wirkungswinkel wird durch den Bereich definiert, welchen die Scharnierteile aufgrund der Federwirkung selbständig überwinden und ist somit durch den Bereich zwischen den Ruhelagen der Scharnierteile bestimmt.
Das Grundprinzip bei der grossen Mehrheit solcher Scharniere besteht darin, einen Deckelteil um eine definierte Bewegungshauptachse zu schwenken.
Die europäische Patentschrift EP 0 056 469 beschreibt ein Scharnier für einen
Kunststoffverschluss, dessen Rotationsachse durch ein definiertes, den Deckel und den Verschlusskörper verbindendes Hauptfilmscharnier gebildet wird und klar bestimmt ist. Der Schnappeffekt wird durch ein Zusammenwirken mit seit-
ERSATZBLÄTT (REGEL 26)
lich dieses Hauptscharniers angeordneten Federarmen erreicht. Der Schnapp¬ effekt beruht bei einer Ausführungsform auf der Biegung von U-förmigen Zwi¬ schenelementen bei anderen Ausführungsformen auf einer Biegung von Wand¬ bereichen der Verschlussteile, wobei in der Regel der Verschlussdeckel eine Biegung im Mittenbereich erfährt. Der Schnappeffekt kommt auch hier durch Biegeeffekte um die Schmalseite zustande.
Die aus den Patentschriften WO 92/13775 oder EP 0 331 940 bekannten Scharnieranordnungen verwenden primäre Biegeeffekte in Kombination mit einer Hauptachse, um eine Federwirkung für einen Schnappeffekt zu erzielen. Die entsprechenden Verschlüsse öffnen sich wegen den vorhandenen geome¬ trischen Hauptachsen im wesentlichen auf einer kreisförmigen Bahn. Bei den genannten Konstruktionen ragen, bei geschlossenem Verschluss, gewisse Tei¬ le aus der Aussenkontur des Verschlusses heraus.
Das US Patent Nr. 5,148,912 beschreibt eine Scharnieranordnung für einen Verschluss mit Verschlusskörper und Deckel, bei dem der Verschluss den glei¬ chen kreisrunden Querschnitt aufweist wie der Verschlusskörper selbst. Deckel und Verschlusskörper sind über zwei flexible, gürtelartige Verbindungsarme, die trapezförmig ausgebildet sind, verbunden. Diese Verbindungsarme sind bie¬ geelastisch ausgeführt und über Dünnstellen am Verschluss und am Ver- Schlusskörper befestigt. Die verschlusskörperseitigen Filmscharniere der Dünn¬ stellen sind schräg zueinander angeordnet. Betrachtet man den Verschluss in einer Ansicht von hinten, so sind diese Filmscharniere zwangsläufig aber zufäl¬ lig in Form eines nach unten offenen V angeordnet. Die Anordnung der beiden deckelseitigen Filmscharniere ist dazu spiegelsymmetrisch. Dieses Scharnier weist keinen guten Schnappeffekt auf, da keine geeigneten Federkräfte aufge¬ baut werden können.
Die bekannten Scharnieranordnungen weisen verschiedene Nachteile auf. Bei allen bekannten Scharnieren mit einer Hauptachse, gegenüber welcher Spann¬ bänder oder ähnliche Elemente versetzt angeordnet sind (Gelenkachsenoffset), besteht die Notwendigkeit, diese Hauptachse bei konvexen Spritzguss-Ver- Schlüssen ausserhalb der Verschluss-Aussenkonturen anzuordnen. Vorstehen¬ de Elemente sind aber aus technischen und ästhetischen Gründen un¬ erwünscht. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass der Schnappeffekt wegen der schwierigen mechanischen Beeinflussungen nicht vorhersehbar ist und regel¬ mässig zu einem ungenügenden Schnappeffekt oder aber zu unzulässigen Ma- terialbeanspruchungen führt. Nachteilig ist auch die Tatsache, dass herkömm¬ liche Scharnieranordnungen nur unvorhersehbare und unzureichende Wir¬ kungswinkel ermöglichen, die häufig nur bei ca. 100° liegen. Es ist bei den be¬ kannten Prinzipien wegen der unvorhersehbaren Wirkungsweise besonders nachteilig, dass bei einer aus Designgründen gewünschten, neuen Verschlüss¬ geometrie jeweils aufwendige Prototypenserien angefertigt werden müssen, um eine technisch befriedigende Verschlusskinematik zu erreichen. Das bei her¬ kömmlichen Verschlüssen vorhandene Hauptscharnier bedingt, dass die Ver¬ schlussteile im Spritz-Zustand sehr nahe beieinander liegen müssen. Die ent¬ sprechende Spritzgussform hat deshalb den Nachteil, dass die Wandstärken in diesem Bereich, aufgrund der zwangsläufigen Verbindung zwischen den Ver¬ schlusskörpern, sehr dünn ausgeführt werden müssen. Die in der Folge auf¬ tretenden Kühl- und Verschleissprobleme, wirken sich negativ auf die Zykluszeit und die Standzeit der Spritzgussform aus.
Eine weitere Einschränkung solcher bekannter Scharnieranordnungen, welche einteilig aus Kunststoff gespritzt werden können, liegt darin, dass nur Systeme mit maximal einem Schnappeffekt erzielt werden können. Mit anderen Worten werden für den Öffnungsvorgang des Verschlusses jenseits von maximal einem Totpunkt maximal zwei Ruhelagen erreicht. Diese Ruhelagen sind im wesentli¬ chen der offene und der geschlossene Zustand des Verschlusses. Wegen den
regelmässig auftretenden plastischen Verformungen fällt die Offenruhelage nicht mit der Position im Spritzgiesszustand zusammen.
Die mechanischen Effekte, die dem Funktionieren solcher Verschlüsse zu Grunde liegen sind im wesentlichen Biegefedereffekte. Die Energie, die benö- tigt wird um ein Biegeelement mittels Biegung zu verformen, bestimmt die Schnappkraft des Scharniers. Wird ein Element einer für diesen Effekt relevan¬ ten Biegung ausgesetzt, so sind die entsprechenden Biegeverformungen dieser Elemente gross im Vergleich zu dessen charakteristischen Grossen (z. B. Dicke einer Biegeplatte) oder die Biegefedern haben im unbelasteten Zustand eine erhebliche räumliche Ausdehnung. Bei sehr kleinen Verschlüssen oder bei be¬ sonderen Verschlussgeometrien (geringe Krümmungsradien im Bereich des Scharniers) lassen sich die erforderlichen funktionalen Elemente herkömmli¬ cher Scharnieranordnungen, wie Hauptscharnier und Spannbänder, nicht mehr realisieren oder führen zu ungenügenden Schnappeffekten oder unzulässigen Materialbeanspruchungen. Eine Einschränkung besteht zudem darin, dass die Verschlüsse im Bereich des Scharniers notwendigerweise eine konvexe Aus- senkontur aufweisen müssen.
Beobachtet man bei verschiedenen existierenden Kunststoffverschlüssen den Kraftfluss, so stellt man hier bei gleichen Verschlusstypen erhebliche Variatio- nen fest. Dünnstellen (Filmscharniere) werden bei vielen Konstruktionen un¬ zulässig hoch beansprucht. Ist einem Verschluss eine fixe Hauptbewegungs¬ achse in Form einer Dünnstelle vorgegeben, sind zum Teil große Zwängungen in den funktionswichtigen Elementen, insbesondere in den Filmbereichen er¬ kennbar. Scharnierteile, die beispielsweise fix über ein Hauptfilmscharnier mit- einander verbunden sind, bilden im geöffnetem Zustand immer noch eine rela¬ tiv steife Einheit. Wird dem Verschluss bei geöffnetem Scharnier eine Relativ¬ bewegung längs des Hauptscharniers gegenüber dem Hauptbehälter aufge¬ zwungen, können eben durch diese steife Verbindung Deckel-Hauptbehälter
hohe Spannungen in den funktionswichtigen Scharnierelementen eingeleitet werden, welche zur Zerstörung des Verschlusses führen.
Die Bahn, welche die Scharnierteile beim öffnen oder Schliessen relativ zuein¬ ander beschreiben ist bei all diesen herkömmlichen Scharnierprinzipien im we- sentlichen eine kreisförmige Bahn, die durch das Hauptfilmscharnier exakt vor¬ gegeben wird. Sind Anforderungen an die Relativbewegung der Scharnierteile beim öffnen gestellt, können diese von derartigen Konstruktionen nicht abge¬ deckt werden.
Viele Materialien (auch spritzbare Kunststoffe) zeigen ein ungünstiges Verhal- ten, wenn sie längere Zeit einer Beanspruchung ausgesetzt werden. Diese Kriech- und Alterungseffekte wirken sich negativ auf die Funktionsweise eines Verschlusses aus. Es wirkt sich daher nachteilig aus, dass die bekannten Scharnieranordnungen diesem Umstand keine Rechnung tragen und in den Ruhepositionen oft erhebliche Restspannungen aufweisen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Scharnier zu schaf¬ fen, welches bei weitgehend vorausbestimmbaren, guten Schnappkräften und grossen möglichen Wirkungswinkeln, wenn gewünscht auch über 180°, unter Vermeidung übermässiger Materialbelastungen eine definierte, aber variable Relativbewegung der Verschlussteile zueinander um eine virtuelle Bewegungs- achse und wenn gewünscht mehrere stabile Ruhepositionen zulässt. Es ist zu¬ dem Aufgabe der Erfindung, ein Scharnier zu schaffen, welches auch bei klei¬ nen und komplizierten, insbesondere auch konkaven Verschlussgeometrien, eingesetzt werden kann und weitgehend innerhalb der Verschlussaussenkontur angeordnet werden kann. Insbesondere soll die optimale Gestaltung der Spritz- gussform möglich sein, um einerseits die Zykluszeit bei der Herstellung zu ver¬ kürzen und andererseits die Standzeit der Spritzgussform zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst.
Eine bestimmte gegenseitige Bewegungskurve der Scharnierteile ist zum Bei¬ spiel dann von Vorteil, wenn ein Hindernisbereich überwunden werden muss. Der Bewegungsweg hat aber auch dann eine Bedeutung, wenn die beiden Scharnierteile funktional zusammenwirkende Elemente enthalten. Im Bereich von Kunststoffverschlüssen ist es beispielsweise wesentlich, dass die Ausguss¬ öffnung mit ihrem dichtenden Gegenstück unter einem günstigen Winkel auf¬ einandertreffen um eine optimale Dichtung zu erreichen.
Die Erfindung ermöglicht ein Schamiersystem, welches beim Öffnungs- und Schliessvorgang über zwei oder mehrere im wesentlichen spannungsfreie Ru¬ helagen und dazwischenliegende Totpunkte verfügt. Die Zustände jenseits der Totpunkte sind vorherbestimmt und kontrolliert. Man kann mehrere Schnapp¬ effekte mit verschiedenen Schnappkräften bei einem Öffnungs- und Schliess- Vorgang erzielen, basierend auf der konstruktiven Konzentration funktionaler Scharnierelemente zur gezielten Nutzung quasistabiler Zustände. Dabei sind die funktionswesentlichen, mechanischen Effekte nicht mehr Biegeeffekte um die Schmalseite, sondern koordinierte Zug- und Druckeffekte mit ihren etwaigen sekundären Erscheinungen. Werden funktionswichtige Elemente der vorliegen- den Erfindung auf Biegung belastet, ist dies nur sekundär. Solche Biegeverfor¬ mungen werden grundsätzlich durch entsprechende technische Massnahmen (z. B. biegesteife Ausführung des betroffenen Druckelementes) bestmöglich verhindert.
Der Scharniertyp gemäss der Erfindung zeichnet sich des weiteren dadurch aus, dass z. B. bei gespritzten einstückigen Kunststoffverschlüssen keine stö¬ renden Teile aus der Verschlusskontur herausragen.
Die Erfindungsidee bezweckt, die erforderlichen funktionalen Elemente so zu gestalten und zu konzentrieren, dass eine im wesentlichen im voraus bestimm¬ bare Kinematik des Verschlusses erreicht wird, wobei gleichzeitig gewährleistet ist, dass die Endlagen und die Zwischenruhelagen des Verschlusses weitge- hend spannungsfrei sind.
Der Schnappeffekt und insbesondere die Schnappkraft werden erfindungsge¬ mäss ausschliesslich durch die konzentrierten, zwischen den Schamierteilen liegenden, funktionalen Elemente erzeugt. Deckel und Verschlusskörper eines Kunststoffverschlusses können so mit frei bestimmbarer Steifigkeit und mit weitgehend beliebiger Geometrie ausgeführt werden.
Da die Scharnierteile nicht fest über ein Hauptscharnier in der Hauptbewe¬ gungsachse miteinander verbunden sind, wird erreicht, dass unbeabsichtige Relativbewegungen der Scharnierteile, bspw. Torsionen quer zur Schwenkbe¬ wegung, zu keiner Beschädigung des Scharniers führen. Die Erfindung besitzt keine fixe Bewegungshauptachse. In jedem Zeitpunkt des Bewegungsvorgangs kann nur eine momentane, nicht raumfeste Schwenkachse bestimmt werden, welche zeitweise auch windschief liegen kann. Diese sich beim Bewegungs¬ vorgang bewegende, virtuelle Achse ist nicht physisch vorhanden und fällt nicht mit einem Strukturteil des Scharniers zusammen. Trotzdem bewegen sich die Deckelteile auf der vorgesehenen Bahn und erreichen zuverlässig die für sie vorgesehene Endposition. Über den geometrischen Aufbau der Scharnierme¬ chanik wird die Lage und die Bewegung dieser virtuellen Achse und damit die Relativbewegung der Scharnierteile wesentlich beeinflusst und gesteuert. Es werden mehr Freiheitsgrade ermöglicht und ein Gesamtwirkungswinkel von mehr als 180° mit - sofern gewünscht - mehreren Schnappeffekten kann be¬ wirkt werden. Spezielle Ausführungsformen erlauben auch eine mindestens annähernd vollständige Integration der Funktionselemente in die Aussenkontur
des Verschlusses, insbesondere bei einstückig gespritzten Kunststoffverschlüssen.
Anhand der unten aufgeführten Figuren und Diagramme werden das erfin¬ dungsgemässe Funktionsprinzip, und Ausführungsbeispiele der Erfindung nä¬ her erläutert.
Fig. 1 zeigt einen funktionalen, schematischen Aufbau einer Kippstufe 1 mit zwei Zwischengliedern 20, 21 , zwei Druckelementen 2.1 , 2.2, zwei Zugelementen 3.1 , 3.2 sowie zwei Schubelementen 4.1 und 4.2
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kippstufe 1 in geschlossenem Zustand
Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel von Fig.2 im offenen Zustand
Fig. 4 zeigt schematisch dargestellt die Bewegungskurve und drei Kippzu¬ stände eines Scharniers 25.1-25.3 mit zwei hintereinander geschalte¬ ten Kippstufen.
Fig. 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer Kippstufe gemäss Fig. 2 und 3 in einem einteilig gespritzten Kunststoffverschluss 25 bei geschlosse¬ nem Verschluss
Fig. 6 zeigt den Kunststoffverschluss gemäss Fig. 5 in offenem Zustand
Fig. 7 zeigt eine Kippstufe 1 mit zwei über eine Dünnstelle 11 verbundenen Druckelementen 2.1 , 2.2 in geschlossenem Zustand
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kippstufe 1 mit Teil¬ schubelementen 6
ERSATZBLATT (HEGEL 26)
Fig. 9 zeigt schematisch die Wirkungsweise eines besonderen Aus¬ führungsbeispiels mit einem Gesamtwirkungswinkel von 180°
Fig. 10 zeigt schematisch ein Verbindungselement 5 mit dargestelltem Zwän- gungswinkel K
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Kippvorgangs mit seinen Winkelzusammenhängen
Fig. 12 zeigt ein Diagramm zur erfindungsgemässen Optimierung der Geo¬ metrien
Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei hintereinander geschalteten Kippstufen 1.1 , 1.2 in geschlossenem Zustand
Fig. 14 zeigt das Beispiel von Fig. 13 in einem teiloffenen Zustand, bei geöff¬ neter, erster Kippstufe 1.1
Fig. 15 zeigt das Beispiel gemäss Fig. 13 und Fig. 14 im vollständig offenen Zustand, mit geöffneten Kippstufen 1.1 , 1.2
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen für einteilig spritzbare Kunststoff-Schnappverschlüsse näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Kunststoffteile eingeschränkt. Das erfindungsgemässe Scharnier, welches mindestens zwei Scharnierteile gelenkig verbindet, besteht aus einer oder mehreren Kippstufen, die jeweils von steifen Zwischengliedern bzw. den Scharnierteilen selber berandet sind. Eine einzelne Kippstufe hat den Zweck, dem Scharnier eine bestimmte Teilschnappkraft und Teilwinkel (bezogen auf
die gesamte Öffnungs-/Schliessbewegung) zu verleihen und ist verantwortlich für einen Schnappeffekt. Werden mehrere Kippstufen hintereinandergeschaltet so erhält das Scharnier gleich viele Schnappeffekte wie Kippstufen. Das Schar¬ nier passiert beim öffnen respektive Schliessen so viele Totpunkte, wie es hin- tereinandergeschaltete Kippstufen besitzt. Jede Kippstufe trägt somit einen be¬ stimmten Anteil am Gesamtwirkungswinkel. Der entsprechende Teilwinkel kann durch entsprechende geometrische Anordnung der funktionswichtigen Elemen¬ te einer Kippstufe eine bestimmte gewünschte Grosse annehmen. Ein Zusam¬ menhang zwischen dem Teilwinkel einer Kippstufe und der geometrischen An- Ordnung existiert und wird gezielt verwendet.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der funktionalen Elemente einer Kippstufe 1 im geschlossenen Zustand. Die Kippstufe enthält zwei Druckele¬ mente 2.1 , 2.2, welche gelenkig, bspw. über Filmscharniere, mit zwei Zwischen¬ gliedern 20, 21 verbunden sind. Zwei Zugelemente 3.1 und 3.2 sind parallel zu diesen Druckelementen angeordnet. Zwischen den Druckelementen 2.1 , 2.2 und den beiden Zugelementen 3.1 , 3.2 sind zwei Schubelemente 4.1 und 4.2 angeordnet. Die Kippstufe besitzt somit zwei funktionale Gruppen, nämlich zwei Verbindungselemente 5.1 , 5.2, welche ihrerseits je ein Druckelement 2, ein Zu¬ gelement 3 und ein Schubelement 4 enthalten. Die funktionswichtigen Elemen- te sind gelenkig mit den steifen Zwischengliedern 20 und 21 verbunden. Diese Gelenkigkeit kann bei Kunststoffspritzgussdeckeln mit Hilfe von Dünnstellen oder analog wirkenden Vorkehrungen erreicht werden. Die Zwischenglieder 20 und 21 begrenzen hier die Kippstufe 1 oder aber die Kippstufe ist direkt mit hier nicht näher dargestellten Schamierteilen direkt verbunden.
Um vom geschlossenen in den offenen Zustand einer Kippstufe 1 zu gelangen, müssen die steifen Zwischenglieder 20, 21 so gegeneinander bewegt werden, dass sich das Zwischenglied 20 um eine momentane Rotationsachse, die hier annähernd parallel zu der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Druck-
elemente liegt und während dem Schliessvorgang nicht ortsfest ist, nach hinten bewegt. Die Kraft, die dabei angewendet werden muss, beschreibt die Schnappkraft der Kippstufe 1. Eine solche Kraft tritt naturgemäss beim öffnen des die Kippstufe enthaltenden Scharniers auf. Die benötigte Kraft ändert sich bis zum Erreichen des Totpunkts der Kippstufe. Wenn sich diese Kraft vergros¬ sert, vergrössern sich auch die Spannungen in der funktionswichtigen Elemen¬ te. Die Zugelemente 3.1 , 3.2 werden immer mehr auf Zug und die Druckele¬ mente 2.1 , 2.2 immer mehr auf Druck belastet. Sind diese Belastungen in ei¬ nem für das verwendete Material zulässigen Bereich, verkürzen bzw. verlän- gern sich die entsprechenden Elemente reversibel. Es wird Energie in diesen Elementen gespeichert. Die Druck und Zugelemente wirken als Druckfedern bzw. als zugelastische Federelemente und bewirken den Federeffekt je Verbin¬ dungselement. Wird der kritische Totpunkt erreicht, springt die Kippstufe ohne weiteres Zutun in die offene Position.
Die Proportion und Anordnung der Druck- 2.1 , 2.2 und Zugelemente 3.1 , 3.2 werden derart bestimmt, dass optimierte Wirkungswinkel und Schnappkräfte auftreten. Wesentlich ist, dass im Druckelement die erforderlichen Druckkräfte eingeleitet und ohne Ausknicken aufgenommen werden können. Dazu ist die Dicke der Druckelemente im Verhältnis zur Dicke der Zugelemente zu beach- ten. Eine zu geringe Dicke der Druckelemente führt zu ungünstigem Schnapp¬ verhalten. Die in Figur 1 eingetragenen, gestrichelten Hilfslinien durch die End¬ punkte von Druck- und Zugelement je eines Verbindungselementes 5.1 , 5.2 schliessen einen Winkel φ ein, der wie weiter unten noch erläutert wird, erfin¬ dungsgemäss zur Erreichung des gewünschten Teilwinkels einer Kippstufe ein- gesetzt wird. Des weiteren ist zur Erreichung einer optimalen Schnappkraft der durch zwei normal zu den je durch die Druckelemente 2.1 , 2.2 und die Zugele¬ mente 3.1 , 3.2 aufgespannten Ebenen stehenden Vektoren 30 und 31 in den Endpositionen des Verschlusses eingeschlossene Umschlingungswinkel von Bedeutung. Bei der konstruktiven Umsetzung der Erfindung ist darauf zu ach-
ten, dass die in einem Druckelement, z. B. durch exzentrisches Drücken hervor¬ gerufene Biegespannungen, durch geeignete technische Massnahmen daran gehindert werden, das Druckelement zum Ausknicken zu veranlassen. Bei be¬ sonderen Anwendungen können die Druckelemente 2.1 und 2.2 miteinander verbunden sein. Diese Verbindung kann vorzugsweise als druck- bzw. knick¬ feste Platte ausgeführt sein und mit den Druckelementen eine Einheit bilden. Diese druckfeste Platte ist bereichsweise oder, falls erwünscht, über ihre ganze Breite an den Zwischengliedern 20 und 21 mittels geeigneten Scharnierelemen¬ ten befestigt sein.
Beim Betrachten herkömmlicher Scharniersysteme für Kunststoffverschlüsse, kann man erkennen, dass form- oder konstruktionsverschiedene Verschlüsse, auch wenn sie auf demselben Prinzip beruhen, sehr unterschiedliche Schnapp¬ effekte und unterschiedliche Schnappkräfte aufweisen. Gewisse Ausführungen dieser Verschlüsse lassen sogar einen Schnappeffekt gänzlich vermissen, ob- wohl dieser ein explizites Ziel entsprechender Patentschriften darstellt. Der Grund dafür liegt in den komplexen mechanischen Vorgängen, auf welchen solche Scharniere basieren bzw. darin, dass die Scharnierteile selbst einen er¬ heblichen Anteil zum Funktionieren des Verschlusses beitragen und somit schon bei geringfügigen Geometrieänderungen nicht leicht oder gar nicht vor- hersehbare Effekte auftreten. Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung behoben, indem die funktionswesentlichen Elemente auf ein Mini¬ mum reduziert und örtlich und in ihrer räumlichen Ausdehnung konzentriert sind, gleichzeitig aber gegenüber herkömmlichen Scharnierprinzipien flexiblere Bewegungsabläufe ermöglicht werden. Dies gilt insbesondere im Unterschied zu Schnappverschlüssen mit fixen Hauptbewegungsachsen, welche relativ zu¬ einander immer eine Rotationsbewegung mit einer räumlich festen Drehachse beschreiben.
Das Funktionsprinzip der Kippstufe 1 beruht auf dem Vorhandensein eines oder mehrerer druckbelasteter Druckelemente 2.1 , 2.2 welche in Wirkkombina¬ tion zu entsprechend angeordneten zugbelasteten Zugelementen 3.1 , 3.2 ste¬ hen. Indem Druck- und Zugelemente in ihrer räumlichen Ausdehnung und Di- mensionierung aufeinander abgestimmt sind, wird erreicht, dass Druck und Zugkräfte gezielt eingeleitet werden. Bei ungewollten Bewegungsabläufen ist es nicht vermeidbar, dass auch sekundäre Drucklasten auf das Zugelement wir¬ ken. Diese unerwünschten Kräfte sind aber wesentlich kleiner als die im nor¬ malen Betrieb auftretenden Zugbelastungen und sind im Hinblick auf die be- zweckte Funktion des Scharniers vernachlassigbar. Analoges gilt für die Druck¬ elemente. Um die Scharniermechanik gegen Verscheren zu schützen und um unstatthafte Bewegungsabläufe zu verhindern, wird pro Kippstufe 1 mindestens ein Schubelement 4.1 , 4.2 vorgesehen. Es kann beispielsweise bei Kunststoff¬ spritzgussteilen als eine dünne, schubsteife Membran oder Dünnstelle ausge- bildet werden. Dieses Schubelement 4.1 , 4.2 ist von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung, indem es unerwünschte Bewegungsabläufe verhindert und die Verschlussteile um ihre virtuelle Bewegungsachse koordiniert. Das Schub¬ element kann wie in Figur 1 jeweils ein Zug- mit einem Druckelement direkt ver¬ binden, oder aber an einer anderen Stelle vorgesehen werden. Die Spannkraft und der Gesamtwirkungswinkel, mithin der Schnappeffekt einer Kippstufe wer¬ den erfindungsgemäss im wesentlichen nur mit Hilfe von Druck- und Zugele¬ menten und nicht durch Biegefedern erreicht.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Kippstufe ist in Figur 2 und Figur 3 dar¬ gestellt. Die beiden Figuren zeigen die Kippstufe 1 einmal im geschlossenen Zustand (Figur 2) und im offenen Zustand (Figur 3). Sie enthält zwei Druckele¬ mente 2.1 und 2.2 sowie zwei Zugelemente 3.1 und 3.2. Die entsprechenden Schubelemente 4.1 , 4.2, welche das notwendige Zusammenwirken der Druck- und Zugelemente gewährleisten, werden hier durch schubsteife Membrane ge¬ bildet die bei diesem Ausführungsbeispiel aus optischen Gründen, vor allem
wenn das Scharnier in Spritzgusstechnik aus Kunststoff gefertigt wird, als dün¬ ne, durchgehende Membran ausgebildet sind. Diese auf diese Weise entste¬ henden, im wesentlichen trapezförmigen Elemente weisen eine ausgeprägte versteifte Druckseite und eine ausgeprägte, relativ dünne zugelastische Zugsei- te auf. Die Kippstufe 1 besteht dann aus zwei Verbindungselementen 5.1 , 5.2, welche durch Dünnstellen 10 mit den der Kippstufe angrenzenden steifen Zwi¬ schengliedern 20.1 , 21.1 verbunden sind. Die Beanspruchung der Dünnstellen 10 kann durch geeignete Geometrie bzw. Druck- oder Zugsteifigkeit der we¬ sentlichen Elemente in einem zulässigen Bereich gehalten werden. Übermässi- ge Kräfte können in gewissen Bereichen durch plastische Deformation eines zulässigen Teils der Dünnstellen abgebaut werden. Die Druckelemente 2 sind so aufgebaut, dass sie auf keinen Fall unter der betriebsüblichen Lasten aus¬ knicken können. In Figur 3 ist gut erkennbar, wie die Kippstufe um die Dünn¬ stellen 10 bewegt ist und in ihre offene Position zu ruhen kommt. Sowohl die in der in Figur 2 als auch in Figur 3 dargestellten Positionen sind alle Elemente der Kippstufe im wesentlichen spannungsfrei. Während dem Kippvorgang sind grundsätzlich weder Biegeeffekte in den Zwischengliedern 20.1 , 21.2 noch in den Verbindungselementen 5.1 , 5.2 erforderlich. Ein Durchbiegen oder Aus¬ knicken der Verbindungselemente tritt nicht auf.
Eine mögliche Relativbewegung der Scharnierteile 23, 24 eines Scharniers 25.1 ist schematisch in Figur 4 dargestellt. Die Scharnierteile 23, 24 sind hier über zwei in Serie geschaltete Kippstufen verbunden. Die erste Kippstufe ist aus Zwischengliedern 20, 21 und aus Verbindungselementen 5.2 aufgebaut. Die zweite Kippstufe ist aus Zwischengliedern 21 , 22 und aus Verbindungsele- menten 5.1 aufgebaut. Figur 4 zeigt drei Kippzustände des Scharniers. Das Scharnier ist im geschlossenem Zustand 25.1 , im ersten Kippzustand 25.2, d.h. mit offener erster Kippstufe, und schliesslich im offenem Zustand 25.3, bei wel¬ chem beide Kippstufen offen sind, dargestellt. Der Öffnungsweg des Scharniers wird durch die räumliche Kurve bzw. den Pfeil 32 verdeutlicht. Dieser öffnungs-
weg 32 kann durch die Anordnung und Auslegung der Teilkippstufen wesentlich beeinflusst werden. Man sieht in der Figur 4, dass der eingezeichnete Öff¬ nungsweg stark von herkömmlichen, kreisförmigen Öffnungswegen, welche insbesondere bei Scharnieren mit fixer Bewegungshauptachse aufgezwungen wurden, abweicht. Im Unterschied zu anderen bekannten Scharnieren ohne Hauptachse, ist aber gleichwohl ein definierter Bewegungsweg vorhanden. Die erste Kippstufe, die aus den Verbindungselementen 5.2 und aus den Zwischen¬ gliedern 20, 21 gebildet wird, verfügt entweder über eine kleinere Schnappkraft oder über die gleiche Schnappkraft wie die zweite aus den Verbindungs- elementen 5.2 und den Zwischengliedern 21 , 22 bestehende Kippstufe, hat dann aber einen geometrisch bedingten früheren Schnappeffekt. Beim Öffnen des Scharniers springt die erste Kippstufe zuerst in ihren offenen Zustand. Alle drei in Figur 4 eingezeichneten Kippzustände sind im wesentlichen spannungs¬ frei, indem die weiter unten zu erläuternden erfindungsgemässen Zusammen- hänge eingesetzt werden.
In den Figuren 5 und 6 ist nun eine Anwendung einer solchen Kippstufe für ei¬ nen einstückig spritzbaren Kunststoffschnappverschluss 25 dargestellt. Der Verschluss 25 enthält zwei Scharnierteile, nämlich den Verschlusskörper 24 und einen entsprechenden Deckel 23. Eine Ausfüllöffnung 16 am Verschluss- körper 24 soll mit einem Gegenstück 16 des Deckels 23 zusammenwirken. Die Scharnierteile sind durch eine Verschlussebene 15 getrennt. Der Verschluss besitzt hier eine einzige Kippstufe, welche Verbindungselemente 5.3 und 5.4 enthält. Die Verbindungselemente 5.3, 5.4 sind über Dünnstellen 10 mit dem Deckel 23 bzw. mit dem Verschlusskörper 24 verbunden. Da hier nur eine ein- zige Kippstufe vorhanden ist, sind die oben beschriebenen Zwischenglieder durch den Deckel 23 bzw. den Verschlusskörper 24 selbst ersetzt. Die Geome¬ trie dieser Kippstufe ermöglicht einen Gesamtwirkungswinkel von über 180° und damit einen Öffnungswinkel von hier ca. 200°, so dass der Verschluss in der offenen Stellung (Figur 6) gegenüber der Verschlussebene nach unten ge-
neigt ist und die Ausfüllöffnung 16 vollständig zugänglich macht. Ist der Ver¬ schluss ideal ausgelegt, so dass keine oder nur minimste plastische Deforma¬ tionen beim Betätigen des Verschlusses erfolgen, so ist der Öffnungswinkel (Position beim Spritzgiessen) und der Wirkungswinkel der Kippstufe gleich gross. Eine Abschrägung 18 eriaubt es, ohne grösseren Werkzeugaufwand den Kunststoffdeckel so zu fertigen, dass die erwähnte Offenstellung erreicht wer¬ den kann ohne dass sich die Aussenwände der Verschlussteile gegenseitig behindern. Selbstverständlich ist es möglich, einen entsprechenden Verschluss auch in einer 180° Offenstellung zu spritzen, wenn dies aus werkzeugtechni- sehen Gründen gewünscht ist. Die Verbindungselemente 5.3 und 5.4 bestehen je aus den sehr biegesteif ausgeführten Druckelementen 2.3, 2.4, den Zugele¬ menten 3.3, 3.4 und dazwischenliegenden Schubmembranen 4.3, 4.4. Die Aussenseite der Verbindungselemente 5.3, 5.4 ist eben gestaltet und gliedert sich optimal in die Aussenkontur des geschlossenen Kunststoffdeckels ein. Der Querschnitt des Kunststoffdeckels in Fig. 4 und 5 ist für die Anwendung der hier gezeigten Kippstufe optimal, da gerade Dünnstellen 10 und optimale Um¬ schlingungswinkel realisiert werden können. Diese Art einer Kippstufe lässt sich aber auch mit anderen Verschlussgeometrien kombinieren. Es ist durchaus möglich kreisrunde Querschnitte, oder andere als hier beschriebene Quer- schnitte zu verwenden oder auch leicht gekrümmte Dünnstellen 10 oder an de¬ ren Stelle andere Gelenkmittel vorzusehen. Um einen guten Schnappeffekt zu gewährleisten, sind die Dünnstellen möglichst als ideale Gelenkachsen auszu¬ bilden. Selbstverständlich können dafür auch entsprechende, funktional gleich¬ wirkende Massnahmen getroffen werden. Bei gekrümmten Aussenkonturen können die Verbindungselemente entsprechend geformt sein. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Verbindungselemente 5.3, 5.4 grund¬ sätzlich frei von der Lage der Verschlussebene angeordnet werden können. Es ist so bspw. möglich, diese in vertikaler Richtung gegen den Verschlusskörper 24 zu verschieben und so voll in diesen zu integrieren, was große Freiheiten hinsichtlich der Verschlussgeometrien und Designmöglichkeiten zulässt. Aus
den Figuren 5 und 6 ist gut erkenntlich, dass im geschlossenen Zustand die Kippstufe senkrecht zu den Schamierteilen bzw. zur Verschlussebene steht und hier direkt in den starren Verschlusskörper 24 bzw. Deckel 23 übergeht.
Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Kippstufe 1 ist in Figur 7 dargestellt. Diese Kippstufe enthält zwei Druckelemente 2.1 , 2.2 und zwei Zu¬ gelemente 3.1 , 3.2, die je parallel zueinander angeordnet sind. Die biegesteif ausgebildeten Druckelemente 2.1 , 2.2 befinden sich unmittelbar neben einer Scharnier-Mittelebene und sind über eine Dünnstelle 11 miteinander verbun¬ den. Diese Mittelebene muss nicht zwingend mit der Symmetrieebene zusam- menfallen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform können aus ästhetischen Gründen je ein Zugelement 3 mit einem Druckelement 2 durch eine dünne schubsteife Membran verbunden werden. Selbstverständlich können bei dieser und bei anderen Ausführungsformen die Wandstärken variiert werden, wobei zu gewährleisten ist, dass die erfindungswesentlichen Funktionen einer Kipp- stufe erhalten bleiben. Es ist beispielsweise möglich, das Schubelement 4.1 mit einer der Wandstärke des Zugelementes 3.1 , 3.2 entsprechenden oder be¬ reichsweise grösseren Wandstärke auszugestalten, solange die funktionale Zugelastizität des Zugelementes 3.1 , 3.2 gewährleistet bleibt. Die hier vorlie¬ genden Verbindungselemente 5.1 , 5.2 sind über die Dünnstelle 11 unmittelbar miteinander verbunden und weisen je eine ausgeprägte, versteifte Druckseite und eine relativ dünne zugelastische Zugseite auf.
Eine weitere Ausführungsform einer Kippstufe 1 ist in Figur 8 dargestellt und besteht aus zwei Druckelementen 2.1 , 2.2 und zwei Zugelementen 3.1 , 3.2. Die biegesteif ausgebildeten Druckelemente 2.1 , 2.2 sind mit zwei senkrecht zur Hauptbewegungsebene liegenden Dünnstellen 10.2 an den angrenzenden stei¬ fen Zwischengliedern 20.2, 21.2 befestigt. Die Zugelemente 3.1 , 3.2 sind so ausgebildet, dass sie je mit zwei relativ langen Dünnstellen 10.1 an den Zwi¬ schengliedern 20.2, 21.2 befestigt sind. Der Übergang zwischen den langen
Dünnstellen 10.1 und den Zugelementen 3.1 , 3.2 übernimmt hier die Funktion der oben beschriebenen Schubelemente. Die Schubelemente sind hier mit den Zugelementen 3.1 , 3.2 verbunden. Die Verbindungselemente 5 sind hier nicht mehr als räumliche Einheiten zu verstehen, weisen aber nach wie vor die erfin- dungswesentlichen, funktionalen Teile, nämlich Druck-, Zug- und Schub¬ element auf. Würde man die zwei Dünnstellen 10.1 eines Zugelementes durch¬ gehend verbinden, so ergäbe sich eine trapezförmige Membran. Um relativ zu¬ gelastische Zugelemente 3.1 , 3.2 zu erhalten wird die eigentliche Zugkante der Membran belassen, hingegen eine entsprechende Ausnehmung an der dem Druckelement zugewandten Seite vorgesehen. Das so geformte Zugelement kann relativ große Zugkräfte in eine relativ lange Dünnstelle einleiten und diese so entlasten.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform einer Kippstufe besteht aus zwei Zugelementen und zwei Druckelementen, welche letztere steif miteinander ver- bunden sind. Die derart integrierten, biegesteif ausgebildeten Druckelemente befinden sich in der Mittelebene, (aber nicht zwingend die Symmetrieebene) des Scharniers und sind mit zwei senkrecht zur Hauptbewegungsebene liegen¬ den Dünnstellen an den angrenzenden steifen Zwischengliedern befestigt. Ver¬ bindet man die Zug- und Druckelemente über ihre gesamte Länge durch eine schubsteife dünne Membran, und verbindet man die Membran mit Dünnstellen mit den Zwischengliedern so ergibt sich ein trapezförmiger Bereich, der aus dem Zugelement und dem Schubelement besteht.
Anhand der folgenden Figuren 9-12 soll der Erfindungsgedanke in seiner um¬ fassenden Bedeutung dargestellt werden. Die Wirkungsweise wir anhand eines Spezialfalles einer Kippstufe eingehender erläutert. Grundsätzlich kann durch spezielle Wahl der Geometriewinkel und Längen der Teilwinkel, die Schnapp¬ kraft und die Materialbelastung einer Kippstufe variiert werden. Es soll hier nochmals hervorgehoben werden, dass jede Kippstufe grundsätzlich nur einen
Teilwinkel der gesamten Scharnierbewegung erfasst. Im nachfolgend beschrie¬ benen, einfachsten Fall einer einzigen Kippstufe entspricht der Teilwinkel der Kippstufe jedoch dem Gesamtwirkungswinkel. Die nötigen Zusammenhänge werden weiter unten erläutert.
Figur 9 zeigt schematisch eine Ausführungsform mit nur einer Kippstufe, von der hier nur der Teil eines Verbindungselements 5 gezeigt ist. Die Kippstufe zeichnet sich hier durch zwei Symmetrieebenen 40, 41 aus. Diese Symmetrie¬ ebenen 40, 41 bleiben im allgemeinen in jeder Öffnungslage des Scharniers erhalten. Diese Ausführung weist einen (theoretischen) Wirkungswinkel von 180° auf. Es wird im weiteren davon ausgegangen, dass unter einer Position mit einem Öffnungswinkel von 0° der gezeichnete geschlossene Zustand und unter einer offenen Position ein Öffnungswinkel von 180° verstanden wird. Bei der Erklärung der Funktionsweise dieser speziellen Ausführungsform wird auf die beiden erwähnten Symmetrieebenen bezug genommen. Diese Betrach- tungsweise ermöglicht das Erklären der Funktion anhand eines Teilproblems. Der Einfachheit halber werden je ein Druck- und Zugelement als in einer Ebene liegend und als geometrische Einheit aufgefasst. Die folgenden Parameter sind von erfindungswichtiger Bedeutung. Einerseits der Winkel Φ zwischen hier an¬ genommenen zwei Dünnstellen eines Zwischenglieds bzw. der durch die End- punkte der Druck- und Zugelemente definierten Linien eingeschlossene Winkel. Der Umschlingungswinkel ω ist der bei einer Draufsicht auf das Scharnier er¬ kennbare Winkel zwischen den Ebenen der Zwischenglieder in geschlossener Position (vgl. Figur 1 , Pfeile 30, 31 ). Sofern die Zwischenglieder bei anderen Ausführungsformen nicht senkrecht zu den Schamierteilen stehen oder Druck- und Zugelemente nicht parallalel zueinander ausgerichtet sind, ist die Bestim¬ mung des Winkels ω entsprechend vorzunehmen. Bei der hier vorliegenden, parallelen Anordnung der Druck- und Zugelemente sind die durch die Druck¬ elemente aufgespannte Ebene und die durch die Zugelemente aufgespannte Ebene (in Figur 9 nicht näher dargestellt) dementsprechend gegeneinander
beabstandet. Beide Winkel bestimmen massgeblich die Zwängung (und damit die Schnappkraft) an den Zwischengliedern und den Öffnungswinkel. Die Sym¬ metrieebenen sind in Figur 9 dargestellt. Die Symmetrieebene 40 ist während dem ganzen Bewegungsablauf die stationäre Symmetrieebene der Kippstufe. Sie bildet im allgemeinen die Symmetrieebene zwischen den Verbindungsele¬ menten 5.
Die Symmetrieebene 41 ist beweglich und bildet in jedem Bewegungszustand die zweite Symmetrieebene. Sie bildet jeweils die Symmetrieebene jedes Ver¬ bindungselementes 5 zu sich selbst. Aus Figur 9 ist ihre Lage in der geschlos- senen Position 41.1 und in der geöffneten Position 41.2 der Kippstufe ersicht¬ lich.
Aufgrund der Symmetriebedingungen wird die Funktionsweise anhand eines Teilmodells betrachtet, welches einen Viertel der Kippstufe ausmacht. Dieses Teilmodell ist in Figur 9 gezeigt. Es zeigt die Hälfte eines Zwischengliedes 21 und einen Teil eines Verbindungselementes 5. Das dargestellte Modell be¬ schreibt näherungsweise die mechanischen Abläufe der Kippstufe. Die Zusam¬ menhänge und die bewirkte Zwängung, welche die Schnappkraft bewirkt, ist nachfolgend modellhaft dargestellt. Unter Zwängung wird die dem Material auf¬ gezwungene Deformation verstanden, welche einen elastischen (reversiblen) Spannungszustand hervorruft. Das Material widersetzt sich der aufgezwunge¬ nen elastischen Deformation, worauf der Schnappeffekt beruht. Erfindungsge¬ mäss werden spezifische Zug- und Druckzonen ausgebildet. Die als Druckzo¬ nen bezeichneten Bereiche werden so ausgebildet, dass ein Ausknicken aus ihrer Ebene verhindert wird. Die als Zugzonen bezeichneten Bereiche können in ihrer Länge und Dicke so variiert werden, dass die, aufgrund der Geometrie, aufgezwungene Dehnung die Materialbelastung innerhalb des elastischen (re¬ versiblen) Materialverhaltens bleibt. Die hinsichtlich der Symmetrieebene 41
symmetrische Ausgestaltung der Kippstufe gewährleistet einen gute Schnapp¬ kraft, indem ein Doppelscharniereffekt innerhalb der Kippstufe vermieden wird.
Es wird davon ausgegangen, dass für die Modellvorstellung die als Scharniere tätigen Dünnstellen 10 als ideale Scharniere betrachtet werden. Unter einem idealen Scharnier wird ein Scharnier verstanden, welches keine innere Reibung und keine Dehnungen in den Scharnierteilen selber erfährt. Es wird also davon ausgegangen, dass die Rotationsbewegung aller Punkte reibungsfrei um eine fixe Achse 10 geschieht. Die als Zwischenglieder 21 bezeichneten Teile werden als nicht deformierbar vorausgesetzt. Jedes der Verbindungselemente 5 wird als ein in seiner Ebene im Zugbereich dehnbares Element betrachtet. Die Ver¬ bindungselemente 5 bleiben immer in einer Ebene, so dass ein Ausbiegen aus dieser Ebene als nicht zulässig betrachtet wird.
Die Bezugsziffern *.1 verweisen jeweils auf Elemente in geschlossener Posi¬ tion, solche mit *.2 auf Elemente im offenen Zustand. Der Grund der Zwängung kann am besten verstanden werden, wenn ein Punkt P im Raum betrachtet wird. Dieser Punkt P liegt auf der Symmetrielinie 43 der Zwischenglieder 5 und in der beweglichen Symmetrieebene 41. Seine Position ist abhängig vom Öff¬ nungswinkel der Kippstufe. Die Position von P auf der Symmetrielinie spielt für diese Betrachtungen keine relevante Bedeutung. P würde sich, aufgrund der Scharnierbedingung welcher er unterliegt, auf der Kreisbahn k1 bewegen mit Zentrum im Punkt A und der Scharnierachse 10 als Drehachse. Aufgrund der erfindungsgemäss erzwungenen Symmetriebedingungen der Kippstufe, wird der Punkt P jedoch auf eine Kurve k2 gezwungen, welche im Modell als Kreis mit Zentrum in B angenähert wird.
Eine Gerade e2 zwischen dem stationären Punkt B und dem beweglichen Punkt auf k2, welche der Übersichtlichkeit halber in Figur 9 nicht eingezeichnet wurde (vgl. Figur 10), bildet bei jedem Öffnungswinkel der Kippstufe in ihrem
auf k2 liegenden Punkt die Flächennormale auf die Ebene 41. Diese Gerade e2 bewegt sich zusammen mit dem Verbindungselement 5. Eine Gerade e1 , zwi¬ schen dem stationären Punkten B und dem beweglichen Punkt auf k1, würde die Gerade e2 beschreiben, wenn diese keiner Zwängung unterworfen wäre. In Figur 9 ist zudem der halbe Umschlingungswinkel ω/2 sowie der Winkel φ/2, welche massgeblich auf den Schnappeffekt Einfluss nehmen, gut erkennbar.
Figur 10 zeigt schematisch den Zwängungszustand des halben Verbindungs¬ elementes 5. Mit der Bezugsziffer 43.3 ist die Position der Symmetrielinie 43 infolge der Zwängung dargestellt. Als Linien sind auch die Druck- und Zugberei- ehe 2, 3 des Verbindungselementes 5 dargestellt. Die konstruktive Lage des Punktes P zur Bestimmung des Winkels K muss selbstverständlich nicht zwin¬ gend in der Mitte des hier dargestellten Abschnitts der Symmetrielinie 43 lie¬ gen. Die Lage ist hingegen abhängig von den gewählten Materialstärken der Druck- und Zugbereiche 2, 3 und ist bestimmt durch den Spannungsneutral- punkt auf der Geraden 43. Unter Spannungsneutralpunkt wird hier der Punkt verstanden in welchem die Spannungen entlang der Geraden 43 im Gleichge¬ wicht sind.
Figur 11 zeigt nun in einer schematischen Teildarstellung die Zusammenhänge einer Kippstufe mit einem Öffnungswinkel y kleiner als 180°. Der öffnungswin- kel y einer Kippstufe kann den Anforderungen entsprechend gewählt werden. Um in geschlossener und in geöffneter Position einer Kippstufe erfindungsge¬ mäss zwei spannungsfreie Zustände zu erreichen, soll nachfolgender beschrie¬ bener Zusammenhang erfüllt sein. Diese erfindungsgemässen Zusammenhän¬ ge werden auch bei einem Öffnungswinkel y von mehr als 180° bezweckt. Ne- ben dem hier nur teilweise dargestellten Zwischenglied 21 ist die Hälfte eines Verbindungselementes 5 in geschlossener 5.1 und in offener Position 5.2 dar¬ gestellt. Das Zwischenglied 21 und das Verbindungselement sind über eine Scharnierachse 10 verbunden.
ERSATZBLAπ (REGEL 26)
Für zwei spannungsfreie Zustände der Kippstufe ist der Zusammenhang zwi¬ schen dem Öffnungswinkel y einer Kippstufe, dem Umschlingungswinkel ω und dem Winkel Φ der Verbindungselemente durch folgende Formel definiert:
φ=2 *arctan[ sιn(v/2) *sin(ω/2)] 1 -cos(γ/2)
In Figur 12 ist ein typischer Verlauf des Zwängungswinkels K einer Kippstufe als Funktion des Winkels ω und des Öffnungswinkel y einer Kippstufe dargestellt. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Winkel φ gewählt wird, welcher zu den erfindungsgemäss spannungsfreien Endpositionen führt. Wie bereits dar¬ gestellt wurde, bedeutet K ein Mass für die Zwängung des Materials. Bei gege¬ benem Umschlingungswinkel ω ist in den Punkten mit horizontaler Tangente die maximale Zwängung des Materials und der Totpunkt der Schnappkraft ge¬ geben. Der Totpunkt liegt in der Hälfte des Öffnungswinkels y der Kippstufe.
Die Figuren 13-15 zeigen ein Scharnier mit zwei Kippstufen 1.1 , 1.2 mit steifen Zwischengliedern 20, 21 und 22, und zwei Schamierteilen 23, 24. Selbstver¬ ständlich können die Kippstufen auch direkt in die Scharnierteile übergehen. Die Kippstufen sind schematisch eingezeichnet und entsprechen beispielswei¬ se den Kippstufen wie sie anhand von Figur 2 und 3 beschriebenen wurden. Das Scharnier ist in Figur 13 im geschlossenen Zustand dargestellt. Springt die Kippstufe 1.1 in ihren offenen Zustand, dann entspricht der erste theoretisch spannungsfreie Kippzustand des Scharniers dem in Figur 14 dargestellten Zu- stand. Bei diesem Kippzustand wirken keinerlei äusseren Kräfte auf das Schar¬ nier ein. Die Kippstufe 1.1 ist voll offen und die Kippstufe 1.2 ist immer noch voll geschlossen. Das in Figur 14 dargestellte Scharnier hat einen ersten Teil¬ schnappeffekt bereits bewirkt. Öffnet man das Scharnier weiter, so erreicht man einen weiteren Totpunkt und das Scharnier springt in einen weiteren im
wesentlichen spannungsfreien Kippzustand, entsprechend Figur 15. Bei dem in den Figuren 13-15 gezeigten Scharnier ist dies der vollständig offene Kippzu¬ stand. Der Öffnungswinkel des schematisch gezeichneten Scharniers beträgt wesentlich mehr als 180°.
Die Erfindung bevorzugt, insbesondere bei einstückigen gespritzten Scharnier¬ teilen, einen Gesamtwirkwinkel von 180° vorzusehen, um den Werkzeugbau zu vereinfachen. Aus fertigungstechnischen Gründen sind Geometrien der Kipp¬ stufen zu bevorzugen, welche wie beispielsweise die in Figur 2, 3, 7 und 8 dar¬ gestellten Ausführungsbeispiele, möglichst wenige Gelenkstellen aufweisen. Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt auch darin, dass bei geringem und wartungsfreundlichen, werkzeugtechnischen Aufwand dank der Konzentration der funktionalen Elemente unter weitgehender Vermeidung von Schlitzen oder Ausnehmungen bei Verschlüssen, insbesondere an den dem Scharnier an¬ grenzenden Bereichen, eine gute Dichtung herbeigeführt werden kann. Die Dichtung kann bevorzugt, unter weitergehender Vermeidung von Ausnehmun¬ gen, durch Massnahmen, wie Sie in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP 95/00651 vorgesehen sind, vorgenommen werden. Bei besonderen Ausführungsformen können auch die beschriebenen Zug- und Druckelemente nicht parallel, sondern in einem Winkel zueinander angeordnet sein. Für lang- gestreckte Scharnierteile können auch zwei oder mehr Kippstufen nebenein¬ ander angeordnet werden. Die einzelnen nebeneinander angeordneten Ele¬ mente der Kippstufen können dabei untereinander keine Verbindung aufweisen oder, falls erwünscht, mittels einer funktionsunwichtigen Membran verbunden sein. Es ist somit denkbar, mehrere Kippstufen in ihrer Wirkungsweise zu kom- binieren, um beispielsweise eine Verstärkung des Schnappeffektes zu bewir¬ ken.
Claims
1. Federnde Scharnieranordnung ohne Hauptscharnier mit mindestens zwei Scharnierteilen und mit diese verbindenden Verbindungsarmen, gekenn- zeichnet durch eine oder mehrere in Serie angeordnete Kippstufen (1) mit je mindestens zwei Verbindungselementen (5), welche je ein biegesteifes Druckelement (2) und ein zugelastisches Zugelement (3) enthalten, die je über eine gelenkige Verbindung an Zwischengliedern (20) oder direkt an den Scharnierteilen (24, 25) befestigt und die mittels mindestens einem zugeordneten Schubelement (4) mindestens annähernd schubsteif ange¬ ordnet sind.
2. Scharnieranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenglieder (20) und die Kippstufen (1 ) sowohl in der geöffneten als auch in der geschlossenen Stellung im wesentlichen spannungsfrei sind.
3. Scharnieranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck- (2) und Zugelemente (3) einer Kippstufe (1 ) parallel zuein¬ ander angeordnet sind und die durch die Druckelemente (2) aufgespannte und die durch die Zugelemente (3) aufgespannte Ebene gegenseitig be¬ abstandet sind.
4. Scharnieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass je zwei Verbindungselemente (5) miteinander über ein par¬ allel zu einer Hauptbewegungsebene angeordneten Gelenkachse (11 ) ge¬ lenkig miteinander verbunden sind.
5. Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel φ, der von den durch die Endpunkte der Druckelemente (2) und Zugelemente (3) definierten Linien eingeschlossen wird, einen Wert aufweist, welcher der nachfolgenden Formel genügt
φ=2 *arctan[ s'n(v/2> *Sin(ω/2)] 1 -cos(γ/2)
wobei ω der bei einer Draufsicht auf das Scharnier projizierte Winkel zwi¬ schen zwei Normalen auf die durch je ein Druck- (2) und Zugelement (3) aufgespannten Ebenen und y der Öffnungswinkel einer Kippstufe ist.
6. Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (2) und Zugelemente (3) derart gegeneinander angeordnet sind, dass in jeder Öffnungsposition eine senk¬ recht zur Hauptbewegungsebene stehende, sich bewegende Symmetrie¬ ebene (41 ) die Symmetrieebene der Druckelemente (2) und Zugelemente (3) zu sich selbst bildet.
7. Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubelement (4) durch eine das Druck- (2) und Zugelement (3) über ihre ganze Länge verbindende, schubsteife Membran ausgebildet ist.
8. Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubelement (4) über langgestreckte Dünn- stellen (10.1 ) mit den Zwischengliedern (20) und ohne direkte Anbindung an das Druckelement (2) mit dem Zugelement (3) verbunden ist.
9. Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckelemente (2) einer Kippstufe (1 ) im we¬ sentlichen starr miteinander verbunden sind.
10. Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kippstufen (2) derart miteinander verbun¬ den sind, dass die Scharnieranordnung eine ihrer Anzahl Kippstufen ent¬ sprechende Anzahl, spannungsfreie Zustände aufweist und dass zwischen je zwei solcher Zustände ein Totpunkt liegt und dass die Scharnieranord¬ nung je ausserhalb eines solchen Totpunkts selbständig elastisch federnd den nächstbenachbarten spannungsfreien Zustand einnimmt.
11. Verwendung einer Scharnieranordnung nach einem der vorstehenden An¬ sprüche für einen einteilig gespritzten Kunststoffverschluss.
ERSATZBLAπ (REGEL 26)
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