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Die
Erfindung betrifft ein Koppelglied, insbesondere eine Stellstange, zumindest
umfassend eine metallische Gewindespindel als erster Koppelpartner mit
einer Antriebsseite und einer Abtriebsseite, wobei die Abtriebsseite
in ihrem stirnseitigen Koppelbereich eine Gabel mit einem kugelpfannenartigen
Aufnahmeelement aufweist, in welches ein metallisches kugelförmiges Einrastelement
am stirnseitigen Koppelbereich eines zweiten Koppelpartners schnappverschlussartig
eingreift.
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Derartige
Koppelglieder finden Verwendung in unterschiedlichen Bereichen der
Antriebs- und Kraftübertragungstechnik,
insbesondere auch in der Heizungstechnik, wo mit einem Motor gekoppelte Koppelglieder
als Antrieb für
Ventile eingesetzt werden.
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Den
gattungsgemäßen metallischen
Koppelgliedern haftet der Nachteil an, dass diese auf Grund der
Kontur des kugelpfannenartigen Aufnahmeelements in der Herstellung
sehr teuer sind. Die Ausbildung der kugelpfannenartigen Aufnahme
des ersten Koppelpartners erfordert üblicherweise einen zusätzlichen
Fräsprozess,
dessen Kosten in erheblichem Umfang zu den Gesamtherstellungskosten
dieser Koppelglieder beitragen. Trotz der Tatsache, dass metallisch
ausgebildete Koppelglieder eine relativ hohe Lebensdauer haben,
besteht seit langem das Bedürfnis,
kostengünstigere
Lösungen
einzusetzen.
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In
diesem Zusammenhang sind vollständig aus
Kunststoff gefertigte Koppelglieder zu nennen, die relativ günstig im
Spritzgussverfahren hergestellt werden. Kunststoffe sind jedoch
nur beschränkt
mechanisch belastbar und neigen zur Alterung.
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Je
nach Anwendungsfall variiert die Geometrie, beispielsweise kugelförmig oder
gabelförmig, der
miteinander zu koppelnden Koppelpartner der Koppelverbindung.
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Zusammenfassend
kann festgestellt werden, dass die auf dem Markt erhältlichen
Koppelverbindungen entweder sehr teuer im Herstellungsprozess oder
nur beschränkt
mechanisch belastbar ausgebildet sind. Allen vorbekannten Koppelverbindungen, die
ein kugelpfannenartiges Aufnahmeelement eines ersten Koppelpartners
und ein komplementäres
kugelförmiges
Einrastelement eines zweiten Koppelpartners aufweisen, ist außerdem immanent,
dass durch mechanische Belastung unerwünschte Spannungsüberhöhungen im
Bereich der Koppelgeometrie auftreten, mit der Folge, dass sich
die Stellgenauigkeit und die Lebensdauer der genannten Komponenten
entsprechend verringern.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Koppelglied, insbesondere
eine Stellstange, vorzuschlagen, das einerseits kostengünstig gefertigt
werden kann, eine hohe Lebensdauer aufweist und bei der die bei
mechanischer Belastung der Koppelpartner zu verzeichnenden Spannungen
gezielt abgebaut oder zumindest verringert werden.
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Nach
der Konzeption der Erfindung umfasst das Koppelglied, insbesondere
eine Stellstange, zumindest eine metallische Gewindespindel als
erster Koppelpartner mit einer Antriebsseite und einer Abtriebsseite,
wobei die Abtriebsseite in ihrem stirnseitigen Koppelbereich eine
Gabel mit einem kugelpfannenartigen Aufnahmeelement aufweist, in
welches ein metallisches kugelförmiges
Einrastelement am stirnseitigen Koppelbereich eines zweiten Koppelpartners
schnappverschlussartig eingreift. Erfindungsgemäß ist der Koppelbereich der
Abtriebsseite der Gewindespindel vollständig aus Kunststoff ausgeführt. Im
Bereich des kugelpfannenartigen Aufnahmeelements ist zumindest ein
Arretierungselement vorgesehen, welches bei axialer und/oder radialer Belastung
der beiden Koppelpartner eine radiale Auslenkung des kugelförmigen Einrastelements
verhindert.
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Es
wurde in aufwändigen
Versuchsreihen und sehr umfangreichen Simulationen festgestellt, dass
die bei axialer Last zwischen beiden Koppelpartnern auftretenden
Kräfte
und Verformungen zu einer – für bislang
unmöglich
gehaltenen – Radialbewegung
des kugelförmigen
Einrastelements führt
mit der Folge, dass sich das Einrastelement in Richtung der Einführungsöffnung des
kugelpfannenartigen Aufnahmeelements bewegt, respektive aus der
Kugelpfanne herausspringt. Diese unerwünschte Radialbewegung kann
mit dem erfindungsgemäßen Koppelglied
verhindert werden.
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Das
aus Kunststoff bestehende Arretierungselement wird beim Koppeln
der beiden Koppelpartner unter manueller Kraftbeaufschlagung des
kugelförmigen
Einrastelements reversibel verformt. Da die beiden Koppelpartner
aber einerseits zur Ausbildung einer Koppelverbindung manuell miteinander gefügt und andererseits
zum Zwecke der Demontage im Rahmen einer Wartung oder eines Ersatzteilwechsels
auch wieder manuell voneinander gelöst werden müssen, ist es notwendig, dass
sich die Arretierungselemente in beiden Richtungen reversibel verformen können.
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Das
Arretierungselement ist dabei derart ausgebildet und positioniert,
dass im Kopplungszustand der beiden Koppelpartner, insbesondere
bei einem axialen Lastspiel, die auftretenden radialen Kräfte durch
das Arretierungselement aufgenommen und in die Gabel abgeleitet
werden, mit der Folge, dass das kugelförmige Einrastelement keine
radiale Bewegung mehr ausführt.
Das erfindungsgemäße Arretierungselement
verhindert somit wirkungsvoll, dass sich das kugelförmige Einrastelement
seitlich aus dem kugelpfannenartigen Aufnahmelement heraus bewegt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind vier
Arretierungselemente vorgesehen, die unmittelbar im Einführungsbereich, respektive
auf der Umfangslinie des kugelpfannenartigen Aufnahmeelements platziert
sind. Diese vier Arretierungselemente sind dabei gleichmäßig voneinander
beabstandet, so dass die auftretenden radialen Kräfte von
jedem Arretierungselement im Wesentlichen zu gleichen Teilen aufgenommen
und entsprechend abgeleitet werden.
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Aus
fertigungstechnischen Gründen
sind die Arretierungselemente als Schnappnasen ausgebildet, die
ausgehend von ihrem distalen Ende jeweils einen konstanten oder
einen sich vergrößernden Querschnitt
aufweisen. Die Schnappnasen können dabei
jedwede Form aufweisen; sie sind jedoch bevorzugt als Pyramidenstumpf
ausgebildet.
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Erfindungswesentlich
ist außerdem,
dass im Koppelzustand der beiden Koppelpartner das kugelförmige Einrastelement
unter Ausbildung eines geringen Spiels zu den Arretierungselementen
innerhalb des kugelpfannenartigen Aufnahmeelements platziert ist.
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Die
aus Kunststoff bestehende Abtriebsseite der Gewindespindel, respektive
der stirnseitige Koppelbereich, ist vorzugsweise an die metallische
Antriebsseite der Gewindespindel angespritzt.
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Das
kugelpfannenartige Aufnahmeelement der Abtriebsseite der Gewindespindel
weist vorzugsweise eine Ausnehmung auf, so dass das metallische kugelförmige Einrastelement
des zweiten Koppelpartners das aus Kunststoff bestehende kugelpfannenartige
Aufnahmeelement des ersten Koppelpartners im Montagezustand nur
partiell kontaktiert. Dadurch wird das Maß der einander kontaktierenden Flächen der
Koppelpartner verringert. Diese Ausnehmung liegt vorzugsweise dem
Bereich des Kugelkopfendes unmittelbar gegenüber, das heißt in demjenigen
Bereich des kugelpfannenartigen Aufnahmebereichs, wo die axialen
Kräfte
besonders groß sind.
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Erfindungsgemäß weist
die Gabel des ersten Koppelpartners zusätzliche Materialverstärkungen auf,
die derart angeordnet sind, dass bei Belastung der beiden Koppelpartner
die Bildung von Zonen lokaler Überhöhung der
mechanischen Spannung vermieden wird. Die als sogenannte Aufdickungen
ausgebildeten Materialverstärkungen
der Gabel sind dabei vorzugsweise im Bereich ihrer offenen Stirnseite sowie
am gegenüberliegenden
Ende der Gabelöffnung
angeordnet.
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Die
signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem
Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- – der Koppelbereich
der Abtriebsseite der Gewindespindel, respektive die Gabel und das
kugelpfannenartige Aufnahmeelement, ist vollständig aus Kunststoff ausgeführt, wodurch
die Herstellungskosten gegenüber
einer aus Metall, insbesondere Stahl, gefertigten Gewindespindel
signifikant reduziert werden,
- – die
vorzugsweise unmittelbar im Einführungsbereich,
respektive auf der Umfangslinie, des kugelpfannenartigen Aufnahmeelements
platzierten Arretierungselemente verhindern erfindungsgemäß eine radiale
Auslenkung des kugelförmigen Einrastelements,
- – das
Koppelglied bzw. die Koppelverbindung weist eine höhere Stellgenauigkeit
auf und kann einer erhöhten
Belastung ausgesetzt werden, wodurch die Wartungsintervalle verringert
und damit die einhergehenden Kosten reduziert werden,
- – zusätzliche,
im Bereich der Gabel angeordnete Materialverstärkungen verhindern, dass sich
Zonen lokaler Überhöhung mechanischer
Spannung ausbilden und
- – das
aus Metall ausgebildete kugelförmige
Einrastelement und das aus Kunststoff gefertigte kugelpfannenartige
Aufnahmeelement verringern im Zusammenwirken eine unerwünschte Geräuschentstehung.
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Die
Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen
der Erfindung mit den zugehörigen
Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
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1:
einen Längsschnitt
des Koppelglieds mit den beiden ineinandergreifenden Koppelpartnern im
Montagezustand,
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2:
eine Detaildarstellung des Längsschnitts
des Koppelglieds mit den beiden ineinandergreifenden Koppelpartnern
im Montagezustand,
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3.1: eine Ansicht des Koppelglieds mit der Darstellung
der Materialverstärkung
und
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3.2: eine Ansicht des Koppelbereichs des ersten
Koppelpartners mit einer Detaildarstellung der Materialverstärkung,
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
des Koppelglieds 1 mit den beiden ineinandergreifenden Koppelpartnern 2, 9 im
Montagezustand. Das Koppelglied 1, insbesondere eine Stellstange,
umfasst eine metallisch ausgebildete Gewindespindel als ersten Koppelpartner 2,
die eine Antriebsseite 3 und einer Abtriebsseite 4 aufweist.
Die als Teil eines Spindel-Mutter-Systems ausgebildete Antriebsseite 3 weist
ein Gewinde auf. Die Abtriebsseite 4 hingegen umfasst in
ihrem stirnseitigen Koppelbereich 5 eine Gabel 6 mit
einem kugelpfannenartigen Aufnahmeelement 7, in welches
ein metallisches kugelförmiges Einrastelement 8 am
stirnseitigen Koppelbereich 5 eines zweiten Koppelpartners 9 schnappverschlussartig
eingreift. Der Koppelbereich 5 der Abtriebsseite 4 der
Gewindespindel ist dabei vollständig
aus Kunststoff ausgeführt.
Die aus Kunststoff bestehende Abtriebsseite 4 der Gewindespindel
ist an die metallische Antriebsseite 3 der Gewindespindel
angespritzt. Im Bereich des kugelpfannenartigen Aufnahmeelements 7 sind
gemäß der 2 vier
Arretierungselemente 10 vorgesehen. Diese vier Arretierungselemente 10 sind
unmittelbar im Einführungsbereich 11 des
kugelpfannenartigen Aufnahmeelements 7 gleichmäßig voneinander
beabstandet platziert. Beim Koppeln der beiden Koppelpartner 2, 9 wird
das aus Kunststoff bestehende Arretierungselement 10 unter
manueller Kraftbeaufschlagung des kugelförmigen Einrastelements 8 reversibel
verformt. Diese Verformung der Arretierungselemente 10 geht
mit einer reversiblen Verformung der Gabel 6 einher, die unmittelbar
nach dem Koppelvorgang wieder ihre ursprüngliche Form einnimmt. Mittels
der erfindungsgemäßen Arretierungselemente 10 wird
bei einem axialen Lastspiel der beiden Koppelpartner 2, 9 eine radiale
Auslenkung des kugelförmigen
Einrastelements 8 wirkungsvoll verhindert. Die Arretierungselemente 10 sind
hierbei als Schnappnase ausgebildet, die jeweils die Form eines
Pyramidenstumpfs aufweisen.
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In
der 2 ist eine Detaildarstellung des Längsschnitts
des Koppelglieds 1 mit den beiden ineinandergreifenden
Koppelpartnern 2, 9 im Montagezustand gezeigt.
Der als Gewindespindel ausgebildete erste Koppelpartner 2 weist
neben der in der 1 gezeigten Antriebsseite 3 eine
aus Kunststoff ausgebildete Abtriebsseite 4 auf, die an
die Antriebsseite 3 angespritzt ist. Die Gewindespindel
weist an ihrem äußeren Ende
einen Kopf auf, der naturgemäß einen größeren Querschnitt
als die Gewindespindel als solche aufweist. Wie ersichtlich, ist
der Kopf der Gewindespindel unter Ausbildung einer äußeren Wulst
nahezu vollständig
vom Kunststoff umspritzt. Nur andeutungsweise dargestellt sind am
Kopf angeordnete Kerben, die als radiale und axiale Verdrehsicherung eingesetzt
werden. An der vom Betrachter aus linken Seite des Kopfes der Gewindespindel
befindet sich die eigentliche Abtriebsseite 4, die eine
Gabel 6 mit dem kugelpfannenartigen Aufnahmeelement 7 aufweist,
in welches das metallische kugelförmige Einrastelement 8 des
zweiten Koppelpartners 9 schnappverschlussartig eingreift.
Die Gabelöffnung, durch
welche das kugelförmige
Einrastelement 8 des zweiten Koppelpartners 9 in
das kugelpfannenartige Aufnahmeelement 7 des ersten Koppelpartners 2 zum
Zwecke der Ausbildung einer Koppelverbindung manuell gedrückt wird,
ist mit einem Freischnitt ausgebildet, der sich ausgehend vom kugelpfannenartigen
Aufnahmeelement 7 bis hin zur Stirnseite der Gabelöffnung erstreckt.
Der Freischnitt ermöglicht, dass
Fertigungstoleranzen und Toleranzen in der Lageposition – auch während des
axialen Lastspiels – beider
Koppelpartner 2, 9 ausgeglichen werden können. Ferner
ist der 2 zu entnehmen, dass das kugelpfannenartige
Aufnahmeelement 7 der Abtriebsseite 4 der Gewindespindel
eine Ausnehmung 12 aufweist, die dem Bereich des Kugelkopfendes 8.1 unmittelbar
gegenüberliegt.
Somit kontaktiert im Montagezustand das metallische kugelförmige Einrastelement 8 des
zweiten Koppelpartners 9 das aus Kunststoff bestehende
kugelpfannenartige Aufnahmeelement 7 des ersten Koppelpartners 2 nur
partiell.
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Die 3.1 und 3.2 zeigen
jeweils die erfindungsgemäßen Materialverstärkungen 13,
die in den Bereichen erhöhter
Zugkraft- und Druckkraftbelastung der Abtriebsseite 4 des
ersten Koppelpartners 2, respektive an der Gabel 6,
angeordnet sind. Eine Ansicht des Koppelglieds 1 mit der
Darstellung der Materialverstärkung 13 ist
in 3, und der Ansicht des Koppelbereichs 5 des
ersten Koppelpartners 2 mit einer Detaildarstellung der
Materialverstärkung 13 ist 3.2 gezeigt. Unter Verwendung der vorgenannten
Materialverstärkungen 13 werden
bei einer Belastung der beiden Koppelpartner 2, 9 die
Bildung von Zonen lokaler Überhöhung der
mechanischen Spannung vermieden. Die als Aufdickungen ausgebildeten
Materialverstärkungen 13 der
Gabel 6 sind im Bereich ihrer offenen Stirnseite sowie
am gegenüberliegenden
Ende der Gabelöffnung
angeordnet. Die im Bereich der offenen Stirnseite der Gabel platzierte
Materialverstärkung 13 erstreckt
sich halbringartig bzw. schalenförmig
um die Längsachse
der Gabel 6 und liegt dem Einführungsbereich 11 des
kugelpfannenartigen Aufnahmeelements 7 gegenüber.
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- 1
- Koppelglied
- 2
- erster
Koppelpartner
- 3
- Antriebsseite
- 4
- Abtriebsseite
- 5
- Koppelbereich
- 6
- Gabel
- 7
- Aufnahmeelement
- 8
- Einrastelement
- 8.1
- Kugelkopfende
- 9
- zweiter
Koppelpartner
- 10
- Arretierungselement
- 11
- Einführungsbereich
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Materialverstärkung