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Die
Erfindung betrifft eine Laufradstruktur und eine Verwendung einer
solchen Laufradstruktur nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und
15.
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Derartige
Laufradstrukturen sind unter anderem in der
DE 38 41 971 beschrieben. Das dort
offenbarte Fahrzeug ist als sogenanntes Flurfördergerät ausgeführt, dessen Fahrwerk von einem
oder mehreren Fahrschemeln gebildet wird, die neben Lenkrollen zumindest
jeweils ein als sogenanntes „Mecanum-Rad" ausgebildetes Laufrad
umfassen. Charakteristisch für
derartig gestaltete Laufräder
ist, dass diese von einem zwei zueinander benachbarte Tragelemente
umfassenden Radkörper
gebildet werden, dessen Tragelemente in Lagersitzen eine Vielzahl von
Rollkörpern
aufnehmen. Die Drehachsen der Rollkörper sind dabei auf ein und
dem selben Umfangskreis angeordnet und erstrecken sich zudem schräg zur Drehachse
des Radkörpers.
Zudem weisen die Rollkörper
eine ballige oder tonnenförmige Außenkontur
auf, die dadurch erreicht wird, dass die Außenkontur des Rollkörpers im
Querschnitt eine Krümmung
mit konstantem Radius beschreibt.
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Je
nach Anwendungsgebiet und Einsatzbedingungen weisen derartige Laufräder unterschiedliche
Raddurchmesser auf, sodass die Anzahl der an einem Laufrad angeordneten
Rollkörper
variieren kann. Im Betrieb weisen die Rollkörper schließlich eine Kontaktzone zum
Boden auf, wobei die Größe dieser
Kontaktzone stark vom Verhältnis
des Durchmessers der Außenkontur
des Rollkörpers
zum Durchmesser des Laufrades bestimmt wird. Die Kontaktzone wird
dabei um so kleiner je kleiner der Durchmesser der Außenkontur
des Rollkörpers
im Verhältnis
zum Raddurchmesser ist. Dies führt
letztlich dazu, dass das Laufrad ungleichförmig auf dem Boden abgestützt wird
und bei extrem kleiner Kontaktzone eine enorme Flächenpressung
auf den jeweiligen Rollkörper
wirkt. Die damit verbundene Verschlechterung der Laufruhe und der
zunehmende Verschleiß derartiger
Räder wird
um so stärker
sein, je größer die
Abweichungen dieser Durchmessern zueinander ist. Die zum Teil erhebliche
Reduzierung der Kontaktzone zwischen Rollkörper und Boden hängt insbesondere
damit zusammen, dass die Drehachsen der Rollkörper und des Laufrades winklig
zueinander angeordnet sind.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung die beschriebenen Nachteile des
Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere ein Laufrad mit
verbesserten Laufeigenschaften und verringertem Verschleiß zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst.
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Indem
das Laufrad, einen von zueinander benachbarten Tragelementen gebildeten
Radkörper umfasst
und die Tragelemente zwischen sich und auf einem Hüllkreis
liegend eine Vielzahl von Rollkörpern drehbar
aufnehmen und die Rollkörper
zumindest teilweise über
den Umfang der Tragelemente hinausragen und deren Drehachsen schräg zur Drehachse des
Radkörpers
ausgerichtet sind und wobei die Außenkontur zumindest eines Rollkörpers eine
elliptische Gestalt aufweist, wird sichergestellt, dass sich ein
großer
Kontaktbereich zwischen Rollkörper
und Boden ergibt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass eine linienförmige Abstützung der
Rollkörper auf
dem Boden und damit eine große
Laufruhe und ein verringerter Verschleiß des sogenannten Mecanum-Rades
ermöglicht
wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elliptische
Gestalt der Außenkontur des
Rollkörpers
durch die Lauffläche
des Rollkörpers beschrieben,
wobei im Rollkörperquerschnitt
diese Lauffläche
eine ellipsenförmige
Krümmung
aufweist. Dies hat vor allem den Vorteil, dass sich die Herstellung
dieser aufwendigeren Kontur allein auf die tatsächlich mit dem Boden in Kontakt
kommende Fläche
des Rollkörpers
beschränken
kann.
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Eine
besonders hohe Laufruhe des Laufrades wird dann erreicht, wenn in
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Außenkonturen
aller Rollkörper
eines Laufrades eine elliptische Gestalt aufweisen
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Indem
die Rollkörper
des Laufrades bei Drehung des Laufrades um die Laufradachse eine
zylinderförmige
Hüllkurve
beschreiben und die ellipsenförmige
Krümmung
der Lauffläche
des Rollkörpers an
die Geometrie dieser Hüllkurve
angepasst ist, wird sichergestellt, dass der Rollkörper nahezu
optimal auf dem Boden abrollt. Insbesondere wird vermieden, dass
der jeweilige Rollkörper
nur punktuell den Boden berührt,
was zu stoßartigen
Be- und Entlastungen des Rollkörpers
und damit zu einer Verschlechterung der Laufruhe und einer Zunahme
des Verschleißes
führen
würde.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ergibt sich die
optimale Dimensionierung der elliptischen Krümmung der Lauffläche des
Rollkörpers,
wenn die gewählte
Ellipsenform unmittelbar in Abhängigkeit
von dem Durchmesser der Hüllkurve und
der Schrägstellung
des Rollkörpers
bestimmt wir. Belastungssprünge
und überhöhte Flächenpressungen
können
auch dadurch vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden,
wenn die die Außenkontur
des Rollkörpers
definierende Ellipse die Geometrie der Abrollspur des jeweiligen
Rollkörpers
auf dem Boden beschreibt. Auf diese Weise wird die Kontaktzone zwischen
den Rollkörpern
des Laufrads und dem Boden durch eine Vielzahl von Stützstellen
gebildet, sodass das Laufrad bei seiner Bewegung auf dem Boden relativ
gleichmäßig belastet
wird.
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Eine
hohe Laufruhe und eine sehr gleichmäßige Belastung des Laufrades
wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dann erreicht,
wenn sich die Abrollspur nahezu über
die gesamte Länge des
jeweils den Boden kontaktierenden Rollkörpers erstreckt.
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Ein
gleichmäßiges Abrollen
der Rollkörper wird
auch dann begünstigt,
wenn die Walkarbeit zwischen Rollkörper und Boden entlang der
Kontaktzone nahezu gleich ist. Dies wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung dadurch erreicht, dass der Rollkörper von einem Tragkörper und
einer diesen umhüllenden
Kunststoffbeschichtung gebildet wird und wobei die Kunststoffbeschichtung
eine im wesentlichen konstante Dicke aufweist.
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Die
Aufbringung einer Kunststoffbeschichtung mit nahezu konstanter Dicke
lässt sich
dann relativ einfach herstellen, wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung die Außenkontur
des die Kunststoffbeschichtung aufnehmenden Tragkörpers an
die Außenkontur
des Rollkörpers
angepasst ist.
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Um
jeden Rollkörper
bei der Montage individuell an die Gestalt der von dem Laufrad beschriebenen
Hüllkurve
anpassen zu können,
was letztlich eine weitere Reduzierung von Laufgeräuschen nach
sich zieht, wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
vorgeschlagen, dass die Lagersitze des Rollkörpers von den benachbarten
Tragelementen aufgenommen werden und zumindest ein Lagersitz einstellbar
ist. Im einfachsten Fall umfasst die Einstellbarkeit die Verschiebung
des Rollkörpers
entlang seiner Drehachse.
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Eine
sehr feine Anpassung der Lage des jeweiligen Rollkörpers an
die von dem Laufrad insgesamt zu beschreibenden Hüllkurve
wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dann erreicht, wenn
die Lagersitze des Rollkörpers
entlang der Drehachse des Rollkörpers
verschiebbar und/oder um eine imaginäre vertikale Schwenkachse verschwenkbar
von den Tragelementen aufgenommen werden.
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Auf
konstruktiv einfache Weise kann das Verschieben und/oder Verschwenken
der Lagersitze dadurch bewirkt werden, dass den Lagersitzen Fixiervorrichtungen
zugeordnet sind und die Fixiervorrichtungen als verstellbare Gewindebuchsen
ausgebildet sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind den
dem Radkörper
zugeordneten Tragelementen in ihrem radial äußeren Bereich Abschirmbereiche
angeformt, wobei diese Abschirmbereiche sich wenigstens teilweise
in den Bereich zwischen benachbarte Rollkörper erstrecken. Eine solche
Ausführung
hat insbesondere den Vorteil, dass beim Überfahren von Absätzen, wie
etwa Bordsteinkanten, diese nicht in die Zwischenräume zwischen benachbarten
Rollkörpern
eindringen und das Laufrad beschädigen
können.
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Eine
vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Laufrades ergibt sich dann,
wenn das Laufrad in einem Fahrwerk für fahrbare Arbeitsbühnen verwendet
wird, wobei der Arbeitsbühne
eine Vielzahl von Laufrädern
zugeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Arbeitsbühne geschaffen,
die sehr flexibel einsetzbar ist, da derartige Laufräder mit
hoher Präzision
und großer
Laufruhe auch schwierige Bewegungsabläufe realisieren können. Im
Extremfall können
die Laufräder
so angesteuert werden, dass sich die Arbeitsplattform entweder auf
der Stelle dreht oder präzise
90°-Wechsel
der Bewegungsrichtung vollführt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche und
werden nachfolgend an Hand eines in mehreren Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
beschrieben. Es zeigen:
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1 die
Front- und Seitenansicht des erfindungsgemäßen Laufrades
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2 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Laufradstruktur
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3 eine
Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Laufradstruktur
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4 eine
Verwendung des erfindungsgemäßen Laufrades
in einer Arbeitsplattform
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes, als
Mecanum-Rad 2 ausgeführtes
Laufrad 1 schematisch in Front- und Seitenansicht dargestellt.
Der Radkörper 3 des
Laufrades 1 umfasst neben der nur strich-punktiert dargestellten
Laufradachse 4 beidseitig die Laufradbreite begrenzende
zueinander benachbart angeordnete Tragelemente 5, 6,
welche drehfest mit der Laufradachse 4 verbunden sind.
Die Tragelemente 5, 6 werden in regelmäßigen Abständen von
auf einem gemeinsamen Umfangskreis 7 liegenden Öffnungen 8 durchsetzt,
wobei die Öffnungen 8 in
noch näher
zu beschreibender Weise von den Fixiervorrichtungen 9 der
erfindungsgemäßen Rollkörper 10 durchsetzt werden.
Die Rollkörper 10 werden
jeweils freidrehbar mittels der Fixiervorrichtungen 9 von
den Tragelementen 5, 6 aufgenommen, wobei die
Drehachse 11 jedes Rollkörpers 10 winklig zur
Laufradachse 4 des jeweiligen Laufrades 1 angeordnet
ist und diese Schrägstellung
der Rollkörper 10 durch
den sich in der Frontansicht ergebenden Winkel α zwischen besagter Laufradachse 4 und
der jeweiligen Drehachse 11 ergibt. In an sich bekannter
Weise sind die Tragelemente 5, 6 über Schraubverbindungen 12 demontierbar
an dem Radkörper 3 befestigt.
Indem das Laufrad 1 einerseits um seine eigene Laufradachse 4 gemäß den Pfeilrichtungen 13 in
und entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen kann und andererseits jeder Rollkörper 10 um
seine Drehachse 11 gemäß Pfeilrichtung 14 ebenfalls
in oder entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft, wird ein mit derartigen
Laufrädern 1 versehenes
Fahrzeug, wie weiter unten noch näher beschrieben, in die Lage
versetzt, sehr präzise
Bewegungen in unterschiedlichste Bewegungsrichtungen zu vollführen. Den
dem Radkörper 3 beidseitig zugeordneten
Tragelementen 5, 6 sind zudem in ihren radial äußeren Bereichen
sogenannte Abschirmbereiche 15 angeformt, die sich wenigstens
teilweise in den Bereich zwischen benachbarten Rollkörpern 10 erstrecken,
sodass die sich zwischen aufeinanderfolgenden Rollkörpern 10 ergebenden
Freiräume 16 weitgehend
abgeschirmt sind. Dies verhindert insbesondere, dass auf dem von
dem Laufrad 1 überfahrenen
Boden liegende Hindernisse in diese Freiräume 16 eindringen
und das Laufrad 1 beschädigen können.
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Gemäß 2 beschreiben
die dem Laufrad 1 zugeordneten Rollkörper 10 bei Drehung
des Laufrades 1 um seine Laufradachse 4 eine zylinderförmige Hüllkurve 17.
Aufgrund dessen, dass die Drehachsen 11 der Rollkörper 10 und
die Laufradachse 4 des jeweiligen Laufrades 1 nicht
zueinander fluchten, d.h. nicht parallel zueinander ausgerichtet
sind, überstreicht
bei Drehung des Laufrades 1 jeder Rollkörper 10 den Boden 18 in
der Weise, dass zunächst
der in Drehrichtung vorgeordnete Bereich und dann die nachgeordneten
Bereiche jedes Rollkörpers 10 in Kontakt
mit dem Boden 18 gelangen. Bei dieser Abrollbewegung ergibt
sich schließlich
eine Kontaktzone 19, die von einer im Raum liegenden Abrollspur 20 gebildet
wird, wobei die Punkte der Abrollspur 20 jeweils die Berührungspunkte
zwischen dem Boden 18 und der Lauffläche 21 des jeweiligen
Rollkörpers 10 darstellen.
Nach dem Stand der Technik weisen die Außenkonturen 22 der
Lauffläche 21 des
Rollkörpers 10 einen
konstanten Krümmungsradius
R auf. Die schräge
Anordnung der Rollkörper 10 zur
Laufradachse 4 führt
dazu, dass ein Schnitt durch die Hüllkurve 17 in Orientierungsrichtung
der Drehachse 11 eines Rollkörpers 10 eine Schnittlinie 23 mit
elliptischer Kontur hervorruft. Diese Schnittlinie 23 bildet zugleich
die Gestalt der Abrollspur 20, die erreicht werden müsste, damit ein
den Boden 18 überstreichender
Rollkörper 10 permanent
Kontakt zum Boden 18 hat. Wegen des konstanten Krümmungsradiuses
R der Außenkontur 22 der
aus dem Stand der Technik bekannten Rollkörper 10 reduziert
sich die Länge
und Gestalt der Kontaktzone 19 je nach Dimensionierung
des Laufrades 1 und der Rollkörper 10 zum Teil so
stark, dass nur noch eine Punktberührung zwischen dem jeweiligen
Rollkörper 10 und
dem Boden 18 eintritt. Diese Ungleichförmigkeit der Auflage eines
solchen Laufrades 1 auf dem Boden 18 führt zu einer
erheblichen Beeinträchtigung
der Laufruhe und damit letztlich zu einem hohen Verschleiß des Laufrades 1.
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Hier
setzt nun die Erfindung an. Zu deren besserer Verdeutlichung wurde
in 3 neben dem erfindungsgemäßen Rollkörper 10 die Hüllkurve 17 dargestellt
und die Schnittdarstellung bei horizontaler Lage des Rollkörpers 10 auf
dem Boden 18 gewählt. Erfindungsgemäß weißt die Außenkontur 24 des
jeweiligen Rollkörpers 10 eine
elliptische Gestalt 25 auf. Diese elliptische Gestalt 25 der
Außenkontur 24 wird
von der Lauffläche 21,
die zugleich die Umfangsfläche 26 des
Rollkörpers 10 darstellt
gebildet, wobei im Rollkörperquerschnitt
diese Lauffläche 21 eine
ellipsenförmige
Krümmung 27 vollzieht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht die elliptische Gestalt 25 der Außenkontur 24 des
Rollkörpers 10 unmittelbar
der elliptischen Kontur der Schnittlinie 23, die sich beim
Schnitt durch die Hüllkurve 17 in
Orientierungsrichtung der Drehachse 11 eines Rollkörpers 10 ergibt
und gemäß obigen
Ausführungen
der idealen Abrollspur 20 entspricht. Auf diese Weise wird
die ellipsenförmige
Krümmung 27 der
Lauffläche 21 des Rollkörpers 10 unmittelbar
an die Geometrie der sich ergebenden Hüllkurve 17 angepasst,
wobei hier neben dem Hüllkreisdurchmesser
D die Schrägstellung α des Rollkörpers 10 die
bestimmenden Parameter sind und sich unmittelbar aus der Schnittlinie 23 ableiten
lassen. Indem sich die elliptische Gestalt 25 unmittelbar über die
gesamte Breite der Lauffläche 21 erstreckt,
wird darüber
hinaus eine Ausführung
geschaffen, bei der der jeweilige Rollkörper 10 über der gesamten
Breite der Lauffläche 21 auf
dem Boden 18 abrollt, sodass sich auf diese Weise bei Drehung
des Laufrades 1 eine über
die gesamte Breite der Lauffläche 21 erstreckende
Abrollspur 20 ergibt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der Rollkörper 10 von
einem, vorzugsweise aus Stahl bestehenden Tragkörper 28 gebildet,
der von einer Kunststoffbeschichtung 29 nahezu homogener
Dicke umhüllt
ist, sodass sich die Lauffläche 21 am
Umfang dieser Kunststoffbeschichtung 29 ausbildet. Damit eine
nahezu homogene Dicke dieser Kunststoffbeschichtung 29 ermöglicht wird,
muss die Umfangsfläche 30 des
Tragkörpers 28 nahezu
dieselbe ellipsenförmige
Gestalt 25 der Lauffläche 21 aufweisen.
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Weiter
sind dem Tragkörper 28 der
Rollkörper 10 stirnseitig
jeweils Achszapfen 31 zur Ausbildung der Lagersitze 32 angeformt.
Die Lagersitze 32 werden von Kegelrollenlagern 33 gebildet,
die im Bereich der Tragelemente 5, 6 von Fixiervorrichtungen 9 aufgenommen
werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Fixiervorrichtungen 9 als verstellbare Gewindebuchsen 34 ausgebildet,
sodass jeder Rollkörper 10 entlag
seiner Drehachse 11 horizontal in den Tragelementen 5, 6 verschoben
werden kann. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass entweder nur
ein Lagersitz 32 oder beide Lagersitze 32 eines
Rollkörpers 10 axial
verschiebbar in den Tragelementen 5, 6 abgestützt sind.
In analoger Weise ist es auch vorstellbar, dass die jedem Rollkörper 10 zugeordneten
Lagersitze 32 und die jeweiligen Fixiervorrichtungen 9 zudem
um eine imaginäre
vertikale Schwenkachse 35 verschwenkbar sind, sodass die Lage
der Rollkörper 10 eines
Laufrades 1 aufeinander abgestimmt werden kann und bei
Drehung des Laufrades 1 die sich ergebende Hüllkurve 17 eine
nahezu idealisierte Zylinderform aufweist, was letztlich eine hohe
Laufruhe und niedrigen Verschleiß bewirkt.
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In 4 ist
schematisch die Verwendung des erfindungsgemäßen Laufrades 1 in
einer Arbeitsplattform 36 dargestellt, wobei das Fahrwerk 37 der Arbeitsplattform 36 jeweils
beidseitig ein vorgeordnetes und ein nachgeordnetes erfindungsgemäßes Laufrad 1 umfasst.
Jedes der Laufräder 1 kann
um seine Laufradachse 4 in und entgegen dem Uhrzeigersinn
gemäß Pfeilrichtung 13 umlaufen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass entweder nur ein Laufrad 1 oder
alle Laufräder 1 aktiv
angetrieben werden, wobei die an sich bekannten Steuerungen so ausgeführt sind,
dass durch Variierung der Drehrichtung und der Drehzahl der Laufräder 1 die
Arbeitsplattform 36 in jeder beliebigen Richtung auf einem
Untergrund 18 bewegt werden kann. Im Extremfall können die Laufräder 1 so
angesteuert werden, dass sich die Arbeitsplattform 36 entweder
auf der Stelle dreht oder präzise
90°-Wechsel der
Bewegungsrichtung vollführt.
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, dass die erfindungsgemäßen Laufräder 1 neben
dem Einsatz in Arbeitsplattformen 36 beispielsweise als
Fahrwerktechnologie für
bewegt Roboter oder als Fahrwerktechnologie für Beförderungsmittel für gehbehinderte
Menschen, wie etwa Rollstühle,
eingesetzt werden, ohne das dabei der Rahmen der Erfindung verlassen
wird.
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- 1
- Laufrad
- 2
- Mecanum-Rad
- 3
- Radkörper
- 4
- Laufradachse
- 5
- Tragelement
- 6
- Tragelement
- 7
- Umfangskreis
- 8
- Öffnung
- 9
- Fixiervorrichtung
- 10
- Rollkörper
- 11
- Drehachse
- 12
- Schraubverbindung
- 13
- Pfeilrichtung
- 14
- Pfeilrichtung
- 15
- Abschirmbereich
- 16
- Freiraum
- 17
- Hüllkurve
- 18
- Boden
- 19
- Kontaktzone
- 20
- Abrollspur
- 21
- Lauffläche
- 22
- Außenkontur
- 23
- Schnittlinie
- 24
- Außenkontur
- 25
- elliptische
Gestalt
- 26
- Umfangsfläche
- 27
- ellipsenförmige Krümmung
- 28
- Tragkörper
- 29
- Kunststoffbeschichtung
- 30
- Umfangsfläche
- 31
- Achszapfen
- 32
- Lagersitz
- 33
- Kegelrollenlager
- 34
- Gewindebuchse
- 35
- imaginäre Schwenkachse
- 36
- Arbeitsplattform
- 37
- Fahrwerk
- D
- Hüllkreisdurchmesser
- R
- Krümmungsradius
- α
- Winkel