CH692055A5 - Hydrostatisches Gelenk. - Google Patents
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Description
Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydrostatisches Gelenk. Insbesondere betrifft die Erfindung ein hydrostatisches Gelenk, das besonders für den Einsatz bei parallelen kinematischen Strukturen für Werkzeugmaschinen geeignet ist. Stand der Technik Für den Einsatz bei so genannten parallelen Kinematiken (parallelen kinematischen Strukturen) für Werkzeugmaschinen und Roboter, wie sie z.B. in "Parallele Kinematik und Linearmotoren, TR Transfer Nr. 25, 1996" beschrieben werden, sind Gelenke erforderlich, die sehr hohe und zum Teil gegensätzliche Anforderungen erfüllen müssen. Wegen den in den meisten Anwendungen erforderlichen mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden der Gelenke, wurden bisher bevorzugt Kugelgelenke für parallele Kinematiken eingesetzt. Kugelgelenke werden in der Technik seit langem für die verschiedensten Zwecke überall dort eingesetzt, wo Gelenke mit mehr als einem Rotationsfreiheitsgrad erforderlich sind. Je nach Verwendungszweck, wurden verschiedene Kugelgelenktypen entwickelt, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, um ganz bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Zur Verminderung des Gelenkspiels ist es bekannt, die Kugelgelenke mit Mitteln zum Vorspannen zu versehen. So wird z.B. in der US 3 802 789 (Columbus Auto Parts Company) ein Kugelgelenk für die Aufhängung eines Automobils offenbart, das zur mechanischen Vorspannung des Gelenks kompressible Kunststoffteile zwischen dem Kugelkopf und der Kugelpfanne aufweist. Durch die grosse Elastizität der Kunststoffteile wird einerseits die Vorspannung des Gelenks sogar noch nach einem gewissen Verschleiss (nach langjährigem Gebrauch) gewährleistet, andrerseits aber die Präzision und die Steifigkeit beeinträchtigt. Für Prüfeinrichtungen, z.B. bei Achs- und Karosserieprüfständen, ist eine grössere Präzision und eine grössere Steifigkeit erforderlich, als sie mit Kugelgelenken gemäss US 3 802 789 erreichbar sind. EP 114 327 (Carl Schenck AG) offenbart ein Kugelgelenk, das den Anforderungen an erhöhte Präzision und Steifigkeit für Prüfeinrichtungen im Fahrzeugbau gerecht wird. Durch die Verwendung von Klemmelementen, mit denen zwei Lagerschalen gegeneinander beziehungsweise gegen einen Kugelkopf verspannbar sind, und die zusätzliche Verwendung von Entlastungs- und/oder Loseelementen, wird ein relativ steifes und präzises Kugelgelenk mit einer mechanischen Vorspannung erreicht, wobei das Gelenkspiel leicht einstellbar und nachstellbar ist. Das Kugelgelenk gemäss EP 114 327 ist jedoch nicht für einen langen wartungsfreien Betrieb geeignet, da das Gelenkspiel nach einigem Gebrauch jeweils nachgestellt werden muss. Zudem sind die Anfahrkräfte beim Beginn der Gelenkbewegung, insbesondere wenn ein kleines Gelenkspiel eingestellt ist, beträchtlich. Bei bestimmten Anwendungen ist ein Kugelgelenk erforderlich, das trotz einer grossen Gelenklast bereits im Ruhezustand des Gelenks eine funktionierende Schmierung gewährleistet, damit bei Beginn der Gelenkbewegung weder grosse Anfahrkräfte erforderlich sind noch ein übermässiger Verschleiss des Gelenks stattfindet. Dieses Erfordernis wird am besten durch ein hydrostatisches Kugelgelenk erfüllt, bei dem der Druck des Schmiermittels ausserhalb des Gelenks, z.B. mit einer Pumpe, erzeugt wird und dem Gelenk das unter Druck gesetzte Schmiermittel zugeführt wird. So wird in "Meerestechnik, Band 12 (1981), Heft 6, S. 151-156" ein hydrostatisches Kugelgelenk für die gelenkige Befestigung eines Stahlbetonturms an einem Fundament im Meeresboden beschrieben. Der Vorteil der funktionierenden Schmierung unter Last bereits im Ruhezustand muss bei hydrostatischen Gelenken allerdings durch einen konstruktiven Mehraufwand erkauft werden. Sämtliche der oben erwähnten bekannten Kugelgelenke mit mechanischer Vorspannung weisen den für bestimmte Anwendungen wesentlichen Nachteil auf, dass ihre Bewegungsfreiheit durch die Konstruktionsbedingungen der mechanischen Vorspanneinrichtungen erheblich eingeschränkt ist. Deshalb werden für Anwendungen, wo eine grosse Bewegungsfreiheit der Kugelgelenke wichtiger ist als eine möglichst grosse Spielfreiheit oder eine optimale Schmierung bereits im Ruhezustand, magnetische Gleitkugelgelenke angewendet. So wird z.B. in "Trudy 19. ctenij, posvijasc. razrab. nauc. nasledija i razvitiju idej K. E. Ciolkovkogo, (1986) 19, 2, 103-104" ein magnetisches Kugelgelenk beschrieben, das besonders zur Lösung von Fixierungsproblemen in der Weltraumtechnologie geeignet ist. Bisher wurde versucht, die gegensätzlichen Anforderungen für die Anwendung bei parallelen Kinematiken mit mechanisch vorgespannten Kugelgelenken oder mit magnetischen Gleitkugelgelenken zu erfüllen, was bei den Ersteren aufgrund mangelnder Bewegungsfreiheit und bei den Letzteren aufgrund hoher Reibung und Verschleiss nicht zu befriedigenden Resultaten führte. Deshalb wurden auch kardanische Gelenke, bestehend aus einer seriellen Verkettung von mechanisch vorgespannten Wälzlagern, zu diesem Zwecke eingesetzt. Dies hat sich allerdings aufgrund mangelnder Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Lebensdauer nicht bewährt. Das Fehlen von geeigneten Gelenken trägt wesentlich dazu bei, dass parallele Kinematiken - trotz den bekannten Vorteilen gegenüber seriellen Kinematiken in Bezug auf Beschleunigungsvermögen und Präzision - bisher im Werkzeugmaschinenbau keine grössere Verwendung gefunden haben. Darstellung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines für parallele Kinematiken geeigneten Gelenks, das sich gleichzeitig durch eine grosse Bewegungsfreiheit, eine hohe Präzision und Steifigkeit, eine hohe Lebensdauer, einen geringen Wartungsaufwand und im Wesentlichen Spielfreiheit auszeichnet. Die Lösung der Aufgabe ist Gegenstand des Patentanspruchs 1. Zur Lösung der Aufgabe umfasst das erfindungsgemässe Gelenk eine Gelenkpfanne zur gelenkigen Lagerung eines Gelenkzapfens, Mittel zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens in der Gelenkpfanne und zusätzlich Mittel zum Vorspannen des Gelenks, um eine im Wesentlichen spielfreie hydrostatische Lagerung des Gelenkzapfens in der Gelenkpfanne zu erreichen. Die Vorspannmittel gewähren eine hohe Präzision und Steifigkeit sowie im Wesentlichen Spielfreiheit, und die Mittel zur hydrostatischen Lagerung sorgen für eine hohe Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand für das erfindungsgemässe Gelenk. Vorzugsweise weist die Gelenkpfanne eine kugelkalottenförmige Schalenform und der Gelenkzapfen eine kugelkalottenförmige Kugelkopfform auf, wobei der Gelenkzapfen eng anliegend in die Gelenkpfanne passend ausgebildet ist, sodass das Gelenk ein Kugelgelenk bildet, welches Gelenk- oder Kippbewegungen mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden zulässt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Kugelgelenk einen kugelkalottenförmigen freien Oberflächenbereich des Gelenkzapfens, der mindestens die Ausdehnung von einem Drittel der Kugeloberfläche aufweist und der weder von der Gelenkpfanne noch von den Mitteln zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln bedeckt ist, damit das Kugelgelenk über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden frei bewegbar ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der kugelkalottenförmige freie Oberflächenbereich des Gelenkzapfens die Grösse von mindestens einer Hälfte der Kugeloberfläche aufweist. Vorzugsweise weist der freie Oberflächenbereich des Gelenkzapfens sogar eine Ausdehnung von mindestens zwei Dritteln der Kugeloberfläche auf, damit eine besonders grosse Bewegungsfreiheit des Gelenks erreicht wird. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Gelenkpfanne die Form eines Rohrabschnitts mit Längsschlitz und kreisförmigem Querschnitt und der Gelenkzapfen die Form eines kreisförmigen Achsabschnitts auf, wobei der Gelenkzapfen eng anliegend in die Gelenkpfanne passend ausgebildet ist, sodass das Gelenk ein Scharniergelenk bildet, welches Gelenk- oder Kippbewegungen mit einem Rotationsfreiheitsgrad zulässt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Vorspannmittel Mittel für eine magnetische Erregung zum Vorspannen des Gelenks auf, damit das Gelenk durch magnetischen Kraftschluss vorgespannt wird. Mit den magnetischen Vorspannmitteln wird eine besonders grosse Bewegungsfreiheit des Gelenks erreicht. Vorzugsweise weisen die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Permanentmagneten auf. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Elektromagneten auf. Als zusätzlicher Vorteil ermöglichen insbesondere die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die kugelkalottenförmige freie Oberfläche des Gelenkzapfens die Grösse von mindestens einer Hälfte der Kugeloberfläche aufweist, eine einfache Konstruktion und Montage des Gelenks. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen nur als Beispiel für ein besseres Verständnis der Erfindung und ist nicht als Einschränkung des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert wird, aufzufassen. Für den Fachmann sind aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und der Gesamtheit der Patentansprüche weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen ohne weiteres erkennbar, die jedoch immer noch innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Zeichnungen stellen zwei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch das Zentrum eines hydrostatischen Kugelgelenks mit magnetischer Vorspannung gemäss der vorliegenden Erfindung, bei dem die magnetische Erregung durch einen Permanentmagneten bewirkt wird; Fig. 2 einen Querschnitt durch das Zentrum eines hydrostatischen Kugelgelenks mit magnetischer Vorspannung gemäss der vorliegenden Erfindung, bei dem die magnetische Erregung durch einen Elektromagneten bewirkt wird. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch das Zentrum eines hydrostatischen Kugelgelenks 14 mit magnetischer Vorspannung gemäss der vorliegenden Erfindung dar, bei dem die magnetische Erregung durch einen Permanentmagneten 2 bewirkt wird. Das Kugelgelenk 14 weist einen kugelkopfförmigen Gelenkzapfen 1 auf, der in einer Gelenkpfanne 12 mit kugelkalottenförmiger Schalenform gelagert ist. Am Gelenkzapfen 1 ist eine erste Verbindungsstange 10 befestigt, um ein am anderen Ende der Verbindungsstange angeordnetes erstes Teil (nicht dargestellt) über das Kugelgelenk 14 gelenkig mit einem zweiten Teil (nicht dargestellt) zu verbinden, das mittels einer zweiten Verbindungsstange (nicht dargestellt) an der Gelenkpfanne 12 befestigt ist. Das dargestellte Kugelgelenk 14 lässt Gelenkbewegungen mit drei Rotationsfreiheitsgraden - Kippbewegungen links/rechts und vorwärts/rückwärts, Drehung um die Verbindungsstange 10 - zu. Das Kugelgelenk 14 weist weiter Mittel 5, 7, 8 zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens 1 in der Gelenkpfanne 12 auf. Durch die Zuführungen 7 hindurch wird Hydraulikflüssigkeit, die ausserhalb des Gelenks 14, z.B. mittels einer Pumpe (nicht dargestellt), unter Druck gesetzt wird, in die Taschen 5 und von diesen in den engen Spalt zwischen dem Gelenkzapfen 1 und der Gelenkpfanne 12 hinein gefördert. Die Zuführungen 7 dienen gleichzeitig als Vordrossel für die hydrostatische Lagerung. Die Taschen 5 dienen dazu, dass bei dynamischen Belastungen und unvermeidlichen Leckagen stets genügend Hydraulikflüssigkeit nachströmen kann, um die Flüssigkeitsverluste auszugleichen. Die Hydraulikflüssigkeit wird über die Rückführung 8), die an den weiter hinten erwähnten zylindrischen Luftspalt 6 zwischen den beiden magnetischen Flussleitstücken 3, 4 angeschlossen ist, vom Kugelgelenk 14 zur Pumpe (nicht dargestellt) zurückgeführt. Die unter Druck gesetzte Hydraulikflüssigkeit sorgt dafür, dass stets ein enger, kugelkalottenförmiger Spalt zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 aufrechterhalten bleibt, der mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, wodurch selbst bei einer grossen Gelenklast bereits im Ruhezustand des Gelenks 14 eine funktionierende Schmierung gewährleistet ist, damit bei Beginn der Gelenkbewegung weder grosse Anfahrkräfte erforderlich sind noch ein übermässiger Verschleiss des Gelenks 14 stattfindet. Das in Fig. 1 dargestellte Kugelgelenk 14 weist weiter Mittel 2, 3, 4 zum Vorspannen des Gelenks 14 auf, um eine im Wesentlichen spielfreie hydrostatische Lagerung des Gelenkzapfens 1 in der Gelenkpfanne 12 zu erreichen. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird das Vorspannen des Gelenks 14 durch magnetischen Kraftschluss bewirkt. In der Gelenkpfanne 12 ist zu diesem Zweck ein ringförmiger Permanentmagnet 2 angeordnet. Das Magnetfeld wird von den beiden Magnetpolen oben und unten am Ring über getrennte Flussleitstücke 3, 4 aus magnetisch leitfähigem Material, die bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung einen integralen Teil der Gelenkpfanne bilden, zum kugelkalottenförmigen Spalt zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 geleitet. Die beiden Flussleitstücke 3, 4 sind durch einen für die magnetische Isolation genügend breiten zylindrischen Luftspalt voneinander getrennt. Das Verhältnis zwischen der Breite des kugelkalottenförmigen Spaltes zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 einerseits und der Breite des zylindrischen Luftspaltes zwischen den beiden Flussleitstücken 3, 4 andrerseits muss so gewählt werden, dass einerseits ein Magnetfluss über den kalottenförmigen Spalt stattfindet, um den magnetischen Kreis vom einen Pol des Permanentmagneten über das eine Flussleitstück 3, den Gelenkzapfen 1 und das andere Flussleitstück 4 zum anderen Pol des Permanentmagneten zu schliessen, und andrerseits eine ausreichende magnetische Isolation zwischen den beiden Flussleitstücken 3, 4 gewährleistet ist. Für die dargestellte Ausführungsform hat sich ein Breitenverhältnis in der Grössenordnung von 1/20 als günstig erwiesen. Bei konkreten Ausführungsformen gemäss dem in Fig. 1 dargestellten Kugelgelenk betrug der Durchmesser des Gelenkzapfens 1 ungefähr 50 mm, die Breite des zylindrischen Luftspaltes zwischen den beiden Flussleitstücken 3, 4 ungefähr 1 bis 2 mm und die Breite des kugelkalottenförmigen Spaltes zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 ungefähr 10 bis 50 mu m. Die Dicke des ringförmigen Permanentmagneten 2 lag im Bereich von einigen mm. Mit dieser Anordnung wurden ohne Feldverdichtung flächenbezogene Anziehungskräfte im Bereich von 400 bis 600 kN/m<2> erreicht. Mittels Feldverdichtung - d.h., wenn die Konstruktion so gewählt wird, dass die Oberfläche des Permanentmagneten senkrecht zur Flussrichtung grösser als die halbe Oberfläche der Kugelkalotte zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 ist - lassen sich bei vertretbarem Aufwand flächenbezogene Anziehungskräfte im Bereich von 1300 bis 2100 kN/m<2> erreichen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Kugelgelenk sind sämtliche Konstruktionselemente der Gelenkpfanne 12), der Mittel 5, 7, 8 zur hydrostatischen Lagerung und der Vorspannmittel 2, 3, 4 gegenüber der unteren Kugelhälfte des kugelförmigen Gelenkzapfens 1 angeordnet. Dadurch ist ein kalottenförmiger Bereich der Oberfläche des Gelenkzapfens 1), der etwas grösser ist als die obere Kugelhälfte des Gelenkzapfens 1), frei von jeglichen gegenüberliegenden Konstruktionselementen des Kugelgelenks 14). Somit kann - bei Vernachlässigung des Durchmessers der Verbindungsstange 10 - der Gelenkzapfen 1 mit der daran befestigten Verbindungsstange 10 mit zwei Rotationsfreiheitsgraden frei über einen Raumwinkelbereich gekippt werden, der grösser als 2 ist. Der bei der dargestellten Ausführungsform vorhandene kugelkalottenförmige freie Oberflächenbereich mit einer Grösse von mindestens der Hälfte der Kugeloberfläche erweist sich insbesondere bei der Konstruktion und Montage des Gelenks 14 als zusätzlicher Vorteil. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Kugelgelenk wird zur Erzeugung des Magnetfeldes an Stelle des ringförmigen Permanentmagneten 2 aus Fig. 1 ein Elektromagnet 2 min eingesetzt. Die Rückführung 8 min der Hydraulikflüssigkeit und die Zuführungen 7 min der Hydraulikflüssigkeit sind an die veränderte Form des Magneten angepasst, die übrigen Konstruktionselemente des Gelenks 14 min sind im Wesentlichen gleich wie die entsprechenden Konstruktionselemente des in Fig. 1 dargestellten Gelenks 14. Durch die in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung lassen sich ohne Feldverdichtung flächenbezogene Anziehungskräfte im Bereich von 1300 bis 2100 kN/m<2> erreichen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die vorliegende Erfindung ein Gelenk bereitgestellt wird, das sich gleichzeitig durch eine grosse Bewegungsfreiheit, eine hohe Präzision und Steifigkeit, eine hohe Lebensdauer, einen geringen Wartungsaufwand und im Wesentlichen Spielfreiheit auszeichnet und somit für parallele Kinematiken geeignet ist.
Claims (9)
1. Gelenk (14) mit einer Gelenkpfanne (12) zur gelenkigen Lagerung eines Gelenkzapfens (1) und Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens (1) in der Gelenkpfanne (12), gekennzeichnet durch Mittel (2, 3, 4) zum Vorspannen des Gelenks (14) zur Erreichung einer im Wesentlichen spielfreien hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens (1) in der Gelenkpfanne (12).
2. Gelenk (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Gelenkbewegungen mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden die Gelenkpfanne (12) eine kugelkalottenförmige Schalenform und der Gelenkzapfen (1) kugelkalottenförmige Kugelkopfform aufweisen, wobei der Gelenkzapfen (1) eng anliegend in die Gelenkpfanne (12) passend ausgebildet ist, damit das Gelenk (14) ein Kugelgelenk (14) darstellt.
3.
Kugelgelenk (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelkalottenförmiger Oberflächenbereich des Gelenkzapfens (1), der mindestens die Ausdehnung von einem Drittel der Kugeloberfläche aufweist, weder von der Gelenkpfanne (12) noch von den Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln (2, 3, 4) bedeckt ist, damit das Gelenk (14) über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegbar ist.
4.
Kugelgelenk (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelkalottenförmiger Oberflächenbereich des Gelenkzapfens (1), der mindestens die Ausdehnung von einer Hälfte der Kugeloberfläche aufweist, weder von der Gelenkpfanne (12) noch von den Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln (2, 3, 4) bedeckt ist, damit das Gelenk (14) über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegbar ist.
5.
Kugelgelenk (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelkalottenförmiger Oberflächenbereich des Gelenkzapfens (1), der mindestens die Ausdehnung von zwei Dritteln der Kugeloberfläche aufweist, weder von der Gelenkpfanne (12) noch von den Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln (2, 3, 4) bedeckt ist, damit das Gelenk (14) über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegbar ist.
6.
Gelenk (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Gelenk- oder Kippbewegungen mit einem Rotationsfreiheitsgrad die Gelenkpfanne (12) die Form eines Rohrabschnitts mit Längsschlitz und kreisförmigem Querschnitt und der Gelenkzapfen (1) die Form eines kreisförmigen Achsabschnitts aufweisen, wobei der Gelenkzapfen (1) eng anliegend in die Gelenkpfanne (12) passend ausgebildet ist, damit das Gelenk (14) ein Scharniergelenk (14) darstellt.
7. Gelenk (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (2, 3, 4) Mittel für eine magnetische Erregung zum Vorspannen des Gelenks (14) durch magnetischen Kraftschluss aufweisen.
8. Gelenk (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Permanentmagneten (2) aufweisen.
9.
Gelenk (14) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Elektromagneten (2 min ) aufweisen.
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