CN101316557A - 柔性空心轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性空心轴(1)，该柔性空心轴通过各个部件以燕尾状的分离部位(10)的连接而确保在半径上的力传递。

Description

柔性空心轴
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的柔性空心轴。
现有技术
出于不同的原因，空心轴作为主动轴可能是符合预期的。一方面，在直径相同的情况下与实心轴相比，空心轴在重量明显较小的情况下提供几乎相同的传递转矩的可能性。另一个原因在于，材料可通过空心体被送走。这首先可以实现有效地钻长孔。这种钻出物质(Bohrgut)由在管的顶端的工具、例如借助于冲洗水通过空心轴向上冲洗。这种技术的典型应用也就是用于水或石油的深孔钻探。这种钻出物质借助于从上面送入的流体通过管(钻孔工具位于其顶端)的中心被通出。
在尺寸完全不同的情况下，空心轴在关节内窥检查的外科手术领域(arthroskopischen Operationstechnik)中得到了完全不同的应用。在两个彼此伸入的薄壁的管的端部安置有外科切割仪器如在WO 00/45713或DE 4422426中所给出的。这些装置在关节内窥检查中以良好的效果使用，方式是它们按照应用范围和使用情况配以不同的切割头、切削刃和开口。它们在应用方面深受欢迎的原因在于，可以微小的外科介入并且精密地对关节中的病态的或事故引起的改变进行矫正，而不会引起组织和肌肉的大损伤。这种类型的典型仪器在DE4422426中给出。
切割头和切削刃几何形状的形成在多个文献中示出并且被详细说明。这些外科切割仪器始终基于这样的技术，即被切除的材料通过管导出。
只要这些管是直的，不仅对地质钻探来说还是对关节内窥检查中的非常精细的应用来说，这都不会带来太大的问题。直径在几毫米范围内的薄壁管的制造以今天已知的技术和材料是没有问题的。但是，现在这样的要求已经显现，即具有不仅是直的而且是弯曲的仪器，利用这种仪器可绕拐角进行工作。例如，可在EP 0 445 918中找到为外科形成这种弯曲的切割仪器的技术的观点。对于地质钻探，已于1947年在US 2,515,365中描述有在这一方向上的可能性。按照EP 0 445 918的设计的缺点在于，在旋转时总是允许灵活弯曲的开口之间的仪器具有很多个“桥”，在每次旋转时这些桥在弹性区域中弯曲和伸展。对于外科使用的空心轴而言，在远超过1000rpm/min的高旋转速度情况下，在“桥”上的交变弯曲载荷是极大的。后果经常是空心轴断裂。因此，按照这种原理制成的装置不可靠。当通过柔性空心轴驱动的工具要以较大的力钻孔或切割时，上述“桥”刚好就会出现断裂。
自然地，将桥的载荷保持在一定范围内的可行方案在于，在进行弯曲的地方将角度保持地尽可能小。这使得以这种空心轴装配的仪器所作的曲线的半径必须相当大。另一方面，也就是说空心轴的长度越长，主动管与从动管之间的空心轴应作出的期望角度必须越大。以这种设计不可能达到这样窄小的半径，即人们以这种半径完全到达小生境。
EP 0445 918的申请人意识到这种情况并由此进行了另一个申请EP 0 840572，该申请指出了所设计的新技术。申请人将地质钻探领域中自1947年以来以Zublin的专利US 2,515,365已知的原理用到外科切割设备的应用中。槽缝选择为螺旋状延伸的类似燕尾状的布置。但是，在实践中仍然存在问题。虽然承受交变弯曲载荷的“桥”的数量显著减少，但是并没有消除。可实现的最小半径一直还是比较大。对于这种构造类型的柔性空心轴，如果人们要获得该装置的合适长度，该最小半径容许大致约30°的弯曲。
另一个问题在制造这种装置时出现。这种复杂结构的力的检测非常困难。由于开口为燕尾状、形状锁合并且螺旋状布置，所以在哪里找到该设计的主要受载部位是不清楚的。因此，对于该结构，将出现的力相应地形成在正确的部位是困难的。这造成使用这种柔性空心轴不安全。已知这样形成的柔性空心轴在使用时断裂。
这些柔性空心轴以远超过1000rpm的转速运行。它们在包裹用的管中延伸。对于固定的“桥”，这意味着每分钟远超过1000次的交变载荷。使用一次短暂地会持续10至20分钟，从而达到50000次的交变载荷，材料变得疲劳。仅在非常受限制的物质中，金属才可以在弹性区域中承受这种条件。
发明内容
现在，本发明的任务在于制造一种柔性空心轴，在半径为几厘米时，利用该柔性空心轴可实现超过90°的圆弧，此时不会使材料遭受交变的弯曲载荷。在1000至8000换向的振动和1000至16000rpm的前进和后退的转速的情况下使用设备时，该任务也必须能实现。到目前为止，已知的空心轴结构不能提供这种可能性。
本发明的具有权利要求1的特征的柔性空心轴可解决该任务。根据本发明的其它特征由从属权利要求给出并且下面对它们的优点进行详细说明。
附图说明
图1具有中部管元件的柔性空心轴；
图2中部管元件；
图3具有柔性空心轴的外科切割仪器；
图4燕尾连接的布置；
图5具有多个中部管元件的柔性空心轴；
图6具有多个通过桥接部连接的中部管元件的柔性空心轴。
具体实施方式
附图示出优选的示例性实施方案，在以下说明中对它进行详细说明。
图1示出本发明类型的柔性空心轴1，具有主动管2、中部管3和从动管4，以及包含这些元件的导向管5。这些部件基本上没有固定的相互连接，而构造成彼此独立的并且分开的部件。
主动管2在一端具有燕尾状的终端部202。在另一端，例如在外科切割仪器上，连接部件位于主动单元上，该主动单元借助于涡轮驱动装置产生远超过1000rpm的转速。如果根据本发明技术的空心轴使用于例如深孔钻探中，则这种转速具有小很多的高旋转速度。
从动管4在一端具有燕尾状的终端部201。在其另一端，安置有例如工具以作为柔性空心轴1的受驱动的部件。如在图3中所示，外科切割工具例如是精密的刀具。用于深孔钻探的工具配备有钻头，这些钻头在本专业领域是通用的。
实验表明可以省去中部管3。那样，主动管2和从动管4则以其相互形状锁合匹配的终端部202和终端部201直接接合并且可达到的角度β对应于可达到的角度α，人们可用分开来实现。
然而，通常由至少一个中部管元件30制成的中部管3嵌入在主动管2和从动管4之间。中部管元件30(图2)在一端具有燕尾状的终端部201并且在另一端具有燕尾状的终端部202。每个燕尾状的终端部201在其形状上适配燕尾状的终端部202，其中产生具有游隙11的粗糙的形状锁合的连接，通过该连接可传递转矩。
燕尾状的终端部202和终端部201绕理论的分离部位10形成。实际存在的分离线沿管的圆周并且绕这种理论的分离部位10燕尾状地蜿蜒而成。在实际的分离部位、燕尾状的终端部202和201之间，按照所给定的需求设置0.01mm和0.5mm的游隙11。这使得各个元件(主动管2、中部管3以及从动管4)的纵向轴线可彼此以角度α存在。现在当空心轴旋转时，游隙11在圆周处沿着燕尾状的终端部202和201“游移”并且允许以这种方式使轴线彼此以角度α旋转，然而元件之间的力传递得到保证。不仅金属的弹性或者甚至说金属的变形，而且在分离时在圆周处沿着理论的分离部位10的燕尾状的终端部202和201“游移”的游隙11可以通过中部管3实现所产生的空心轴1的合成的“柔性弯曲”并且确保所希望的力传递。
为了各个元件被导向，柔性空心轴1的所有元件通过导向管5保持、存放和导向。整个由柔性空心轴1和导向管5组成的单元40(图3)弯曲一个固定的角度β。该描绘安装完成后的设备的角度β是固定的并且不是灵活的。但是，在导向管5中导向的柔性空心轴1可以实现“转矩绕过弯曲部”的传递。图3示出在外科切割仪器40上的应用。前述类型的柔性空心轴1可以克服在半径12小、例如在5-10cm时直至超过90°的角度并且克服远超过1000rpm的转速。
只有通过柔性空心轴的前述结构才可实现上述性能。人们可以通过使中部管元件30的长度31(图2)与燕尾状的终端部20的高度32相匹配来实现它。使多个短的中部轴元件30具有燕尾状的终端部20的小的高度32可实现小的半径12。不过，出于机械的原因，中部管元件30的最小尺寸视柔性空心轴1的直径13的情况(图2)受限制。还注意到，待克服的角度β的数量级与所使用的中部管元件的数量相关。所使用的中部管元件30越多，角度β越大，因为角度β由各个元件之间的各个角度α组成。
燕尾形状在空心轴的周向上的布置尽可能随机。但必须满足这样的条件，即必须始终一个终端部201配合一个终端部202，其中从动管4的终端部201和主动管2的终端部202分别构造成201和202并且必须配合邻接的中部管元件30的终端部202和201。
图4示出燕尾状终端部201和202的布置的一种可能性。视图示出各个中部管元件30在圆周14上的展开，该圆周对应于3.14乘以管的直径13。这种布置可以是任意的。必要条件是，终端部201和202必须分别成对地彼此适配。刚好在该视图中还示出，各个中部管元件30之间的游隙11形成在成对的终端部201和202中。按照方案，从动管4或主动管2的终端部201或202与邻接的中部管元件30的终端部201或202形成一对。
在图5中示出在组合状态下的柔性空心轴1，具有由多个中部管元件30组成的中部管3、主动管2和从动管4。为了实现使用柔性空心轴1时较安静的运转，中部管元件30的燕尾状的分离线20-如在图4中所示-不仅规律地在圆周上分布，而且以随机的方式设置，如在图5中所示。
主动管2、从动管4和中部管元件30之间的最佳游隙11这样实现，即空心轴可进入为此专门设置的导向管5中。实验表明，通过这种进入的方式显著降低了运行期间柔性空心轴1所产生的噪声。同时，所有成对接合的终端部201和202之间的游隙11也被位置适配地调整。
到目前为止所描述的空心轴1在中部管元件30之间或中部管元件30、主动管2和从动管4之间具有0.01-0.5mm的游隙11。该游隙11仅可以使空心轴1在导向管5中旋转。然而，由于在具有在弯曲的位置中弧线的外径上的通过游隙11的开口的情况下存在通过抽吸实现的穿过空心轴1的回冲，这如果不是完全阻碍，至少会妨碍抽吸，所以产生缺点。为了消除这种缺点，给出了不同的方法，在实验中这些方法在技术上被验证和实施。
人们可以在将柔性空心轴1插入到导向管5之前将其浸入到塑料溶液中，以使空心轴1的部件涂敷有柔性的塑料涂层。因为游隙11是十分之一毫米范围内的开口，所以为此目的可使用可穿透的弹性材料，该材料粘附空心轴的材料。另一种方案在于，在空心轴1中插入一种由弹性材料制成的软管并且通过膨胀工具按压，从而使软管的材料粘附在空心轴的材料上。这种膨胀工具可以是可充气的气球状的装置，类似地使用于收缩的心脏管状血管的膨胀。
也许最简单的方法在于，使软管绕空心轴安置并且随后借助于收缩包裹空心轴的外径。这种方法具有这样的优点，即与软管和空心轴的材料无关，在该方案中所收缩的材料通过其固有的弹性粘附在空心轴上。空心轴1可通过上述措施中的任何一种来非常有效地密封。
可使用专门的方法来制造空心轴1，该方法简化制造过程并且主要简化在制造过程期间对空心轴的处理：如在图4中所示，桥接部21置入在空心轴1的各个部件之间。这些桥接部这样布置，即它们在空心轴1(该空心轴应在导向管5中)的第一次弯曲时断开，但不在空心轴1的部件上留下痕迹。在图6中示出，断开的桥接部21的残余部件怎样保持在空心轴的部件上。这种方法的应用提供了这样的优点，即在生产过程中可完全地利用直的、圆柱状空心轴1。所以，例如可以这样较简单地对已分开的部分进行表面处理，即空心轴1具有直的并且稳定的形状。如果部件2、30和4在该阶段已经彼此独立，那么这种松松地、彼此保持的部件2、30和4的处理是困难的。尤其是以柔韧并且弹性的软管安置或包裹空心轴1也变得非常困难。
在这种情况下，空心轴1置入导向管5以空心轴1的、直接通过桥接部21保持的形式进行。现在空心轴1一弯曲，应断开部位就断开。但是，如果作为主动轴置入的空心轴1自身开始以高转速在弯曲的导向管5中旋转，则它们最晚断开。
对今天可使用的制造技术来说，将这种桥接部21制造成应断开部位不是问题。可以使用所有的制造方法，如激光切割、侵蚀或蚀刻，即桥接部21不仅可以存在，而且它们也可以具有作为应断开部位使用所需要的尺寸。

Claims (16)

1.柔性空心轴，该柔性空心轴由主动管、至少一个中部管和从动管装配而成，其特征在于，所述主动管(2)、所述中部管(3)和所述从动管(4)是彼此分开的独立的单个部件。
2.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，所述中部管(3)由至少一个中部管元件(30)组成。
3.根据权利要求2所述的柔性空心轴，其特征在于，各个中部管元件(30)是彼此独立的零件。
4.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，所述主动管(2)、所述中部管(3)和所述从动管(4)在导向管(5)中被保持和导向。
5.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，所述中部管元件(30)在一端在垂至于轴线的、在周向延伸的理论的分离线(10)上具有围作用的燕尾状的终端部(20n1)，并且在另一端具有与接下来的中部管元件(30)的第一燕尾状的终端部(20n1)相适配的终端部(20n2)。
6.根据权利要求5所述的柔性空心轴，其特征在于，所述燕尾状的终端部(201)与燕尾状的终端部(202)形状锁合地连接。
7.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，所述主动管(2)在朝向中部管(3)的侧上在垂至于轴线的、在周向延伸的理论的分离线(10)上形成围作用该理论的分离线(10)的燕尾状的终端部(202)。
8.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，所述从动管(4)在朝向中部管(3)的侧上在垂至于轴线的、在周向延伸的理论的分离线(10)上形成围作用该理论的分离线(10)的燕尾状的终端部(201)。
9.根据权利要求7所述的柔性空心轴，其特征在于，所述主动管(2)的燕尾状的终端部(202)与第一中部管元件(30)的第一燕尾状的终端部(20n1)形状配合。
10.根据权利要求8所述的柔性空心轴，其特征在于，所述从动管(4)的燕尾状的终端部(201)与最后一个中部管元件(30)的第二燕尾状的终端部(20n2)形状配合。
11.根据权利要求2所述的柔性空心轴，其特征在于，中部管元件(30)的第二燕尾状的终端部(20n2)与接下来的中部管元件(30)的第一燕尾状的终端部(20n1)形状配合。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的柔性空心轴，其特征在于，在所有彼此结合的主动管(2)的燕尾状的终端部(202)、中部管(30)的燕尾状的终端部(20n1、20n2)和从动管(4)的燕尾状的终端部(201)之间分别存在一个0.01-0.5mm的游隙(11)。
13.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，所述柔性空心轴(1)具有包裹主动管(2)、中部管元件(30)和从动管(4)并且连接这些部件的塑料涂层。
14.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，在柔性的空心轴1、即在主动管(2)、中部管(3)和从动管(4)中形状锁合地插配有贯穿这些部件的内径的薄的塑料软管。
15.根据权利要求12所述的柔性空心轴，其特征在于，在柔性空心轴(1)上，即在主动管(2)、中部管(3)及从动管(4)上套裹有包围所有这些部件的塑料软管，该塑料软管位于空心轴(1)的部件与导向管(5)之间并且与空心轴(1)的部件固定的连接。
16.根据权利要求1所述的柔性空心轴，其特征在于，各个部件即主动管(2)、所有中部管元件(30)及从动管(4)以桥接部(21)连接，其中，这些桥接部(21)在小的力作用下断开，从而使主动管(2)、中部管元件(30)和从动管(4)在所述空心轴(1)在弯曲的导向管(5)中首次旋转时变成独立的部件。
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