DE102009041042A1

DE102009041042A1 - Kugelrad

Info

Publication number: DE102009041042A1
Application number: DE200910041042
Authority: DE
Original assignee: Fritz Helmut Dr Ing
Current assignee: Fritz Helmut Dr Ing
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-17

Abstract

Kugelrad bestehend aus zwei Halbkugeln (1),
die in der Polachse orthogonal zur Schnittfläche der Halbkugeln mit der Achse (2) verbunden sind, wobei die Achse (2) zentrisch mit einer kreisförmigen Scheibe (3) verbunden ist, die in der Schnittfläche zwischen den Halbkugeln (1) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kreisförmige Scheibe (3) einen kleineren Durchmesser als die Halbkugeln (1) hat und zwei einander gegenüberliegende Drehzapfen (4) aufweist, die über den Umfang der Halbkugeln (1) hervorragen und in einer Drehachse liegen, die sich mit der Drehachse (2) der Halbkugeln im Kugelmittelpunkt schneidet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelrad gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus verschiedenen Technikbereichen ist die Aufgabenstellung und deren Realisierung bekannt, Objekte omnidirektional auf einer Fahrebene zu bewegen. Als Objektbeispiele seien hier der Rollstuhl, Möbel, Flurförderzeuge aber auch Roboter genannt.
Die technischen Lösungen lassen sich im Wesentlichen in vier Gruppen einteilen:

1. Gleitvorrichtungen
2. Lenkrollen/-räder mit Nachlauf
3. Kugelrollen
4. Omniwheels

Der Stand der Technik ist ausführlich in den Veröffentlichungen 1) und 2) dargelegt einschließlich der Schwachstellen der jeweiligen Technik. Zusammenfassend ergibt sich folgendes Bild:
Gleitvorrichtungen finden wegen ihres hohen Reibungswiderstandes im wesentlichen nur bei Möbeln Anwendung.
Lenkrollen mit Nachlauf haben den gravierenden Nachteil, dass es bei engen Kurvenfahrten zu einem Verkanten des Nachlaufrades kommen kann. Hierbei sind, abhängig von der Stellung des Nachlaufrades zum Teil erhebliche Kräfte bei der Einleitung der Fahrt in eine neue Fahrtrichtung aufzubringen.
Die Kugelrolle hat demgegenüber zwar eine allseitig gleiche Beweglichkeit, ist jedoch abhängig vom Bodenbelag schmutzempfindlich und weist höhere Reibungsverluste als das Exzenterrad auf.
Entsprechendes gilt für das Omniwheel, was in der Literatur auch als Swedish Wheel bekannt ist.
Zum Stand der Technik gehören weiterhin Kugelräder mit einer Drehachse, zum Beispiel aus dem Gebrauchsmuster G 91 09 218.3 (Fahr- oder Spielzeug) so wie aus der Offenlegungsschrift 29 03 174 (Rollschuh).
Dabei wird die Kugel aus zwei Halbkugeln zusammengesetzt, die drehbar auf einer Achse angeordnet sind. Die Achse wird durch ein Konstruktionselement zwischen den beiden Kugelschalen mit dem zu bewegenden Objekt verbunden.
Erfindungsgemäße Aufgabe und Lösung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem mittig geführten Kugelrad weitere Freiheitsgrade hinzu zu fügen, um omnidirektionale Bewegungen auf einer Fahrebene ausführen zu können und die bekannten Nachteile omnidirektionaler Rollen/Räder zu minimieren. Einsatzbereiche für das erfindungsgemäße Kugelrad sind der Rollstuhl, Flurförderzeuge, Möbel und Rollroboter.
Gelöst wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Teilen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Schnitt durch das Kugelrad senkrecht zur Schnittfläche der Halbkugeln
2 einen Schnitt durch das Kugelrad in der Schnittfläche der Halbkugeln.
3 einen Schnitt durch eine Ausführungsvariante mit Kugelhalbschalen.
4 eine Ausführungsvariante mit Gabellagerung des Kugelrades.
5 eine Ausführungsvariante mit kalottenförmiger Ausführung der Gabellagerung
Die Vorrichtung – bezeichnet als Kugelrad – besteht aus zwei Halbkugeln (1), die drehbar auf einer Achse (2) angeordnet sind. Die Achse (2) wird mit einer kreisförmigen Scheibe (3) verbunden, die einen kleineren Durchmesser als die Halbkugeln (1) hat und weiterhin zwei einander gegenüberliegende Drehzapfen (4) aufweist, die über den Umfang der Kugelschalen hervorragen. Durch die Lagerung der Drehzapfen (4) in Lagern (5), die mit dem zu bewegenden Objekt (6) verbunden sind, erhält das Kugelrad eine zweite Drehachse, die zu einer allseitigen Beweglichkeit des Kugelrades führt.
Optimale Laufeigenschaften eines derartigen zweiachsigen Kugelrades ergeben sich bei einer Bewegung orthogonal zu einer Drehachse. Alle anderen Bewegungskomponenten erfordern eine Überlagerung der Drehungen um beide Achsen und bedingen einen entsprechend größeren Reibungsverlust.
Folgerichtig wird dementsprechend eine Drehachse des zweiachsigen Kugelrades orthogonal zur Hauptbewegungsrichtung des Objektes angeordnet. Bei Dreipunktlagerung des Objektes erfordert seine Drehung dann den geringsten Aufwand, wenn sie konzentrisch um den Drehmittelpunkt ausgeführt wird (Panzerdrehung: Antriebsräder gegenläufig gedreht und eine Achse des Kugelrades orthogonal zu den Antriebsrädern).
Bauartbedingt verläuft die Rollbewegung orthogonal zur Schnittfläche der Halbkugeln an deren Rändern unstetig („holprig”). Dieser Nachteil kann durch einen elastischen Kugelbelag sowie durch Feder- und Dämpfungselemente zwischen dem Kugelrad und dem zu bewegenden Objekt minimiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Hinblick auf den Kugelrundlauf die elastische Lagerung der Halbkugeln mittels Federelementen (9) auf der Drehachse (2).
Mittels einer Gabellagerung (10) der Drehzapfen (4) kann bei besonderen Anforderungen an den Kugelrundlauf die Kinematik des Kugelrades durch eine weitere konzentrische Drehachse erweitert werden, wobei der Drehzapfen (11) der Gabel um 360 Grad drehbar ist. Nach dem Prinzip minimaler Formänderungsarbeit stellt sich bei Bewegungen entlang einer geraden Bahn das Kugelrad so ein, das es entlang der Spur läuft, die konstruktionsbedingt zwischen den beiden Halbkugeln verläuft. Der Kugelrundlauf kann weiterhin durch Abplattung der Kugelpole am Ende der Drehachse (2) vorteilhaft beeinflusst werden.
Die Tragfähigkeit der kreisförmigen Scheibe (3) mit den Drehzapfen (4) wird wesentlich von der konstruktiven Gestaltung des Übergangs bestimmt. In diesem Bereich können dreidimensionale Verstärkungen (7) der Scheibe (3) erforderlich sein.
Zur Gewichts- und Materialersparnis können die Halbkugeln als Kugelhalbschalen (8) ausgebildet werden, die einen Hohlraum bilden, der die Drehlagerkonstruktion (12) sowie Federelemente (9) aufnehmen kann.
Die Kugelhalbschalen werden aus hochfestem Werkstoff gefertigt und werden mit ihrer Lauffläche durch eine Beschichtung mit einem geeigneten Werkstoff der Beschaffenheit des Fahrweges angepasst. Die Kugelhalbschalen können entlang ihres freien Randes konstruktiv verstärkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 9109218 U [0008]
DE 2903174 A [0008]

Claims

Kugelrad bestehend aus zwei Halbkugeln (1), die in der Polachse orthogonal zur Schnittfläche der Halbkugeln mit der Achse (2) verbunden sind, wobei die Achse (2) zentrisch mit einer kreisförmigen Scheibe (3) verbunden ist, die in der Schnittfläche zwischen den Halbkugeln (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Scheibe (3) einen kleineren Durchmesser als die Halbkugeln (1) hat und zwei einander gegenüberliegende Drehzapfen (4) aufweist, die über den Umfang der Halbkugeln (1) hervorragen und in einer Drehachse liegen, die sich mit der Drehachse (2) der Halbkugeln im Kugelmittelpunkt schneidet.
Kugelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzapfen (4) in Lagern (5) laufen, die mit dem zu bewegenden Objekt (6) verbunden sind.
Kugelrad nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Scheibe (3) aus hochfestem Werkstoff besteht und zur Aufnahme der Drehzapfen (4) außerhalb der Rotationsfläche der Halbkugeln (1) Verstärkungen (7) aufweist.
Kugelrad nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbkugeln als Kugelhalbschalen (8) aus hochfestem Werkstoff ausgebildet sind und ihre Laufflächen der Beschaffenheit des Fahrweges angepasst sind.
Kugelrad nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhalbschalen (8) an ihren Schnittflächen im Laufbereich verstärkt sind.
Kugelrad nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelhalbschalen (8) mit der Drehachse (2) elastisch mittels Federelementen (9) verbunden sind.
Kugelrad nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Drehachsen (2) oder (4) in Hauptbewegungsrichtung des zu bewegenden Objektes verläuft.
Kugelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (5) der Drehzapfen (4) in einer Gabel (10) konzentrisch gelagert sind, deren Lagerzapfen (11) um 360 Grad drehbar mit dem zu bewegenden Objekt verbunden ist.
Kugelrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Gabel (10) durch eine drehbare Kugelhalbschale (11) ersetzt ist.
Kugelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelpole in der Achse (2) abgeplattet sind.