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.
Technical field
The present invention relates to a hydrostatic joint. In particular, the invention relates to a hydrostatic joint that is particularly suitable for use with parallel kinematic structures for machine tools.
State of the art
For use with so-called parallel kinematics (parallel kinematic structures) for machine tools and robots, such as those e.g. in "Parallel Kinematics and Linear Motors, TR Transfer No. 25, 1996", joints are required that have to meet very high and sometimes conflicting requirements. Because of the at least two degrees of freedom of rotation of the joints required in most applications, ball joints were previously preferably used for parallel kinematics.
Ball joints have long been used in technology for a wide variety of purposes wherever joints with more than one degree of rotation are required. Depending on the intended use, different types of ball joints have been developed that have different properties to meet very specific requirements.
To reduce the play in the joints, it is known to provide the ball joints with pre-tensioning means. For example, in US 3 802 789 (Columbus Auto Parts Company) discloses a ball joint for the suspension of an automobile, which has compressible plastic parts between the ball head and the ball socket for mechanical prestressing of the joint. Due to the great elasticity of the plastic parts, the pretension of the joint is guaranteed even after a certain amount of wear (after many years of use), but on the other hand the precision and rigidity are impaired.
For test facilities, e.g. Axle and body test stands require greater precision and rigidity than can be achieved with ball joints according to US 3 802 789. EP 114 327 (Carl Schenck AG) discloses a ball joint that meets the requirements for increased precision and rigidity for test facilities in vehicle construction. Through the use of clamping elements, with which two bearing shells can be clamped against each other or against a ball head, and the additional use of relief and / or loose elements, a relatively stiff and precise ball joint with a mechanical preload is achieved, with the joint play being easily adjustable and adjustable is.
However, the ball joint according to EP 114 327 is not suitable for long maintenance-free operation, since the joint play must be readjusted after some use. In addition, the starting forces at the start of the joint movement, especially when a small joint play is set, are considerable.
In certain applications, a ball and socket joint is required which, despite the large joint load, ensures that the joint is in good working order even when the joint is at rest, so that when the joint starts to move, no large starting forces are required and there is no excessive wear on the joint. This requirement is best met by a hydrostatic ball joint in which the pressure of the lubricant outside the joint, e.g. with a pump, and the pressurized lubricant is supplied to the joint. Thus, in "Meerestechnik, Volume 12 (1981), Issue 6, pp. 151-156" a hydrostatic ball joint for the articulated fastening of a reinforced concrete tower to a foundation in the sea floor is described.
The advantage of functioning lubrication under load even in the idle state must, however, be bought for hydrostatic joints through additional design work.
All of the known ball joints with mechanical preload mentioned above have the disadvantage, which is essential for certain applications, that their freedom of movement is considerably restricted by the design conditions of the mechanical preload devices. For this reason, magnetic sliding ball joints are used for applications where great freedom of movement of the ball joints is more important than the greatest possible freedom of play or optimal lubrication even in the idle state. For example, in "Trudy 19. ctenij, posvijasc. razrab. nauc. nasledija i razvitiju idej K. E. Ciolkovkogo, (1986) 19, 2, 103-104" describes a magnetic ball joint which is particularly suitable for solving fixation problems in space technology.
So far, attempts have been made to meet the conflicting requirements for use in parallel kinematics with mechanically preloaded ball joints or with magnetic sliding ball joints, which has not given satisfactory results for the former due to a lack of freedom of movement and for the latter due to high friction and wear. For this reason, cardanic joints consisting of a serial linkage of mechanically preloaded roller bearings were used for this purpose. However, this has not proven itself due to a lack of rigidity and a long service life.
The lack of suitable joints contributes significantly to the fact that parallel kinematics - despite the known advantages over serial kinematics in terms of acceleration and precision - have not been used to any great extent in machine tool construction.
Presentation of the invention
The object of the invention is to provide a joint which is suitable for parallel kinematics and which is at the same time characterized by great freedom of movement, high precision and rigidity, long service life, low maintenance and essentially no play.
The solution to the problem is the subject of claim 1.
To achieve the object, the joint according to the invention comprises a joint socket for the articulated mounting of a joint pin, means for the hydrostatic mounting of the joint pin in the joint socket and additionally means for pretensioning the joint in order to achieve a substantially play-free hydrostatic mounting of the joint pin in the joint socket. The prestressing means ensure high precision and rigidity as well as essentially zero play, and the means for hydrostatic bearing ensure a long service life and low maintenance for the joint according to the invention.
The joint socket preferably has a spherical-spherical shell shape and the joint pin has a spherical-spherical spherical head shape, the joint pin being designed to fit snugly into the joint socket, so that the joint forms a ball joint which permits joint or tilting movements with at least two degrees of freedom of rotation.
In a preferred embodiment, the ball joint has a spherical cap-shaped free surface area of the pivot pin which has at least the extent of one third of the ball surface and which is neither covered by the socket, nor by the means for hydrostatic bearing nor by the prestressing means, so that the ball joint extends over this surface area is freely movable with at least two degrees of rotation. Another preferred embodiment of the present invention is characterized in that the spherical cap-shaped free surface area of the pivot pin has the size of at least one half of the spherical surface.
The free surface area of the joint pin preferably even has an extent of at least two thirds of the spherical surface, so that a particularly large freedom of movement of the joint is achieved.
In another preferred embodiment of the present invention, the joint socket is in the form of a tubular section with a longitudinal slot and a circular cross section and the joint pin is in the form of a circular axle section, the joint pin being designed to fit snugly in the joint socket, so that the joint forms a hinge joint which Allows joint or tilting movements with a rotational degree of freedom.
In a further preferred embodiment of the present invention, the pretensioning means have means for magnetic excitation for pretensioning the joint, so that the joint is pretensioned by magnetic adhesion. With the magnetic pre-tensioning means a particularly large freedom of movement of the joint is achieved. The means for magnetic excitation preferably have at least one permanent magnet. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the means for magnetic excitation have at least one electromagnet.
As an additional advantage, the embodiments of the present invention, in which the spherical cap-shaped free surface of the pivot pin has the size of at least one half of the spherical surface, enable simple construction and assembly of the joint.
The following detailed description of a preferred embodiment of the present invention, taken in conjunction with the accompanying drawings, serves only as an example for a better understanding of the invention and is not to be construed as limiting the scope of the present invention as defined in the claims. The person skilled in the art can readily recognize further advantageous embodiments and combinations of features from the following description in conjunction with the accompanying drawings and the entirety of the claims, which, however, are still within the scope of the present invention.
Brief description of the drawings
The drawings illustrate two preferred embodiments of the present invention.
Figure 1 shows a cross section through the center of a hydrostatic ball joint with magnetic bias according to the present invention, in which the magnetic excitation is effected by a permanent magnet.
Fig. 2 shows a cross section through the center of a hydrostatic ball joint with magnetic bias according to the present invention, in which the magnetic excitation is effected by an electromagnet.
In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Detailed description
a preferred embodiment of the invention
1 shows a cross section through the center of a hydrostatic ball joint 14 with magnetic bias according to the present invention, in which the magnetic excitation is brought about by a permanent magnet 2. The ball joint 14 has a spherical head-shaped joint pin 1, which is mounted in a joint socket 12 with a spherical cup-shaped shell shape. A first connecting rod 10 is fastened to the pivot pin 1 in order to connect a first part (not shown) arranged at the other end of the connecting rod in an articulated manner via the ball joint 14 to a second part (not shown) which is connected by means of a second connecting rod (not shown) the socket 12 is attached.
The ball joint 14 shown permits joint movements with three degrees of freedom of rotation - tilting movements left / right and forward / backward, rotation about the connecting rod 10.
The ball joint 14 also has means 5, 7, 8 for the hydrostatic mounting of the joint pin 1 in the joint socket 12. Hydraulic fluid which is outside the joint 14, e.g. is pressurized by means of a pump (not shown) into the pockets 5 and from there into the narrow gap between the pivot pin 1 and the socket 12. The feeds 7 also serve as a pre-throttle for the hydrostatic bearing. The pockets 5 serve to ensure that sufficient hydraulic fluid can always flow in under dynamic loads and unavoidable leakages to compensate for the fluid losses.
The hydraulic fluid is returned from the ball joint 14 to the pump (not shown) via the return line 8), which is connected to the cylindrical air gap 6 mentioned later between the two magnetic flux guide pieces 3, 4. The pressurized hydraulic fluid ensures that a narrow, spherical cap-shaped gap between the socket socket 12 and the pivot pin 1 is always maintained, which is filled with hydraulic fluid, so that even with a large joint load, a functioning lubrication is ensured even when the joint 14 is at rest, so that neither large starting forces are required at the start of the joint movement nor excessive wear of the joint 14 takes place.
The ball joint 14 shown in FIG. 1 further has means 2, 3, 4 for pretensioning the joint 14 in order to achieve a hydrostatic bearing of the joint pin 1 in the socket 12 which is essentially free of play. In the illustrated embodiment of the invention, the pretensioning of the joint 14 is effected by magnetic frictional connection. For this purpose, an annular permanent magnet 2 is arranged in the joint socket 12. The magnetic field is conducted from the two magnetic poles at the top and bottom of the ring via separate flux guide pieces 3, 4 made of magnetically conductive material, which form an integral part of the joint socket in the illustrated embodiment of the invention, to the spherical cap-shaped gap between the joint socket 12 and the joint pin 1.
The two flux guide pieces 3, 4 are separated from one another by a cylindrical air gap which is sufficiently wide for the magnetic insulation. The ratio between the width of the spherical cap-shaped gap between the socket 12 and the pivot pin 1, on the one hand, and the width of the cylindrical air gap between the two flow guide pieces 3, 4, on the other hand, must be selected so that, on the one hand, a magnetic flux takes place over the spherical gap around the magnetic circuit to close from one pole of the permanent magnet via the one flux guide piece 3, the pivot pin 1 and the other flux guide piece 4 to the other pole of the permanent magnet, and on the other hand sufficient magnetic insulation between the two flux guide pieces 3, 4 is ensured.
A width ratio of the order of 1/20 has proven to be favorable for the illustrated embodiment.
In concrete embodiments according to the ball joint shown in Fig. 1, the diameter of the pivot pin 1 was approximately 50 mm, the width of the cylindrical air gap between the two flow guide pieces 3, 4 approximately 1 to 2 mm and the width of the spherical cap-shaped gap between the socket 12 and the Hinge pin 1 about 10 to 50 microns. The thickness of the annular permanent magnet 2 was in the range of a few mm. With this arrangement, area-related attractive forces in the range from 400 to 600 kN / m <2> were achieved without field compression.
Using field compression - that is, if the design is selected so that the surface of the permanent magnet perpendicular to the direction of flow is greater than half the surface of the spherical cap between the socket 12 and the pivot pin 1 - area-related attractive forces in the range from 1300 to 2100 can be achieved with reasonable effort reach kN / m <2>.
In the ball joint shown in Fig. 1, all construction elements of the socket 12), the means 5, 7, 8 for hydrostatic support and the biasing means 2, 3, 4 are arranged opposite the lower half of the ball of the spherical pivot pin 1. As a result, a dome-shaped area of the surface of the pivot pin 1), which is somewhat larger than the upper ball half of the pivot pin 1), is free of any opposite structural elements of the ball joint 14). Thus, if the diameter of the connecting rod 10 is neglected, the pivot pin 1 with the connecting rod 10 attached to it can be freely tilted with two degrees of freedom of rotation over a solid angle range that is greater than 2.
The spherical cap-shaped free surface area with a size of at least half of the spherical surface that is present in the illustrated embodiment proves to be an additional advantage in particular in the construction and assembly of the joint 14.
In the ball joint shown in FIG. 2, an electromagnet 2 min is used in place of the annular permanent magnet 2 from FIG. 1 to generate the magnetic field. The return 8 min of the hydraulic fluid and the feeds 7 min of the hydraulic fluid are adapted to the changed shape of the magnet, the other construction elements of the joint 14 min are essentially the same as the corresponding construction elements of the joint 14 shown in FIG. 1 2 illustrated embodiment of the invention, surface-related attractive forces in the range from 1300 to 2100 kN / m 2 can be achieved without field compression.
In summary, it can be stated that the present invention provides a joint which is characterized at the same time by great freedom of movement, high precision and rigidity, long service life, low maintenance and essentially no play and is therefore suitable for parallel kinematics.