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Das klassische Kardangelenk entsprechend der 1 nach dem Stand der Technik besteht aus den nachfolgenden relevanten Teilen zwei Kardangabeln (1), einem Kardankreuz (3) und aus Drehgelenken (2) zwischen der Kardangabel und dem Kardankreuz.
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Das Kardangelenk gehört kinematisch zu einer Viergelenkkette (Viergelenkgetriebe) nach der 2. Die Achsen aller Drehgelenke schneiden sich in einem Punkt (4).
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Insgesamt hat die Viergelenkkette nach 2 bzw. das Kardangelenk mindestens vier Drehgelenke und drei Koppelglieder.
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Die Drehgelenke (2) des Kardangelenkes, die das Kardankreuz und die Kardangabel miteinander verbinden, können als Gleitlager wahlweise als Präzisionswälzlager oder Nadellager entsprechend der 3 und 4 ausgeführt sein.
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Ein Kardangelenk mit Kardankreuz ist in der 1 dargestellt.
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Statt Kardankreuzes kann auch ein kinematisch äquivalenter Außenring (6) eingesetzt werden.
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Das Kardangelenk mit einem Außenring ist der 5 dargstellt.
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Bei Anwendungen des Kardangelenkes innerhalb eines Antriebstranges, bei dem die die Abtriebskardangabel (16) so eingebaut ist, dass die Gabelachse vertikal ist, wie in 30 dargestellt, bleibt die Gabelachse nach der Ausführung der Rotation und dem Einfallen der Motorbremse irgendwo innerhalb des im in der 12 funktional dargestellten Drehspieles stehen.
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In der 11 ist der Drehwinkel der Kardangabel bei einem durch ein Torsionsfederelement vorgespannte Kardangabel, wobei eine Kardangabel in der Rotation um die eigene Drehachse behindert wird und die zweite Kardangabel durch ein Drehmoment belastet wird, dargestellt.
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In den 13, 15, 17, 19, 24 und 26 sind verschiedene konstruktive Möglichkeiten der Vorspannung der Kardangabeln zueinander dargestellt.
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Die 12 zeigt die funktionale Darstellung des Kardangelenkdrehwinkels vom Drehmoment mit Drehspiel bei einem klassischen Kardangelenk nach dem Stand der Technik in der 1
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Das Drehspiel des Kardangelenkes funktional dargstellt in der 12 ist eine der Ursachen der Ungenauigkeit bei der Winkelpositionierung des Werkstückes durch die Drehachse.
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Außerdem regt das Drehspiel zwischen den Kardangabeln Stoßschwingungen in dem Antriebsstrang an.
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Das Drehspiel der Kardangabeln (1) zueinander ist durch die Toleranzen in den Wälzlagern/Gleitlagern (5) zwischen dem Kardankreuz (3) und der Kardangabel (1) begründet.
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Die Kardangelenke werden bei vielen industriellen Anwendungen insbesondere in den Antriebsträngen eingesetzt.
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Ein wichtiges Einsatzgebiet sind die Roboter, Manipulatoren, Greifer und Handlingkomponenten in der Automatisierungstechnik.
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Die Drehspielbeseitigung durch Vorspannung der Kardangabeln in der Hauptdrehrichtung zueinander mit einem Federelement wird exemplarisch bei der Anwendung der dauerhaft senkrecht positionierten Abtriebsgabel der Drehachse eines Delta Roboters dargestellt.
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In der 5 und 6 ist beispielhaft eine mögliche Anwendung des Kardangelenkes bei einer rotatorischen Achse (7), bei der die Achse einer Abtriebsgabel (8) dauerhaft senkrecht steht, bei einem Delta Roboter dargestellt.
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Das Gewicht des durch den Delta Roboter manipulierten Werkstücks wird in dem Drehlager (9) der vertikal eingebauten Rotationsachse der Kardangabel abgefangen.
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Die Erfindung des vorgespanntes Kardangelenkes ist nicht nur auf die Rotationsachse eines Delta Roboters eingeschränkt.
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Die Anwendung des drehspielfreien und des schwingungsreduzierenden Kardangelenkes in Verbindung mit oder ohne eine vertikale rotatorische Drehachse ist nicht nur auf den Delta Roboter eingeschränkt, sondern kann auch bei anderen Roboterstrukturen, wie SCARA 9, Knickarmroboter 10, Portal Roboter 9 in der Handachse, oder in anderen industrialisierten Antriebsträngen mit Vorteil eingesetzt werden.
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Am Ende des Antriebstranges, betrachtet vom Antriebsmotor zu Abtriebsgabel, ist bei einem Kardangelenk nach dem aktuellen Stand der Technik ein Drehspiel bei eingefallener Motorbremse im Stillstand bei der Abtriebskardangabel feststellbar.
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Die erreichte Winkelstellung der Abtriebsgabel des Kardangelenkes weicht von der Winkelsollposition ab.
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Die Winkelstellung in der das zu positionierte Werkstück stehen bleibt, ist ein Zufallsereignis innerhalb des Drehspiels zwischen den Punkten (10) und (11) des Kardangelenkes nach 12.
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Der erreichte Drehwinkel gemessen im Stillstand ist immer ein Zufallsereignis innerhalb des Drehspiels.
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Drehspiel des Kardangelenkes ist in 12 zwischen den Punkte (10) und (11) dargstellt.
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Bei der Anwendung des Kardangelenkes bei den Roboterdrehachsen ist die Abweichung von der Winkelsollposition begründet durch die Reibung, durch das immer wieder andere angewandte Gewicht des Werkstückes, durch die zeitlich immer unterschiedlichen translatorischen Raumbewegungen des Werkstückes und durch den unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der rotatorischen Drehbewegung des Werkstückes.
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Nach dem der Stillstand erreicht ist und die Motorbremse eingefallen ist, hat die Winkelstellung der Abtriebskardangabel (16) ein Drehspiel.
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Für viele Anwendungen in der Robotik, Automatisierungstechnik, Greifertechnik bei dem die Rotationsachse der Abtriebsgabel vertikal eingebaut ist, macht sich das unerwünschte Drehspiel bemerkbar.
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Eine Rotationsachse bei der die Abtriebsgabel (16) vertikal eingebaut ist, ist in der 30 dargestellt.
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Bei einer vertikal eingebauten Abtriebsgabel (16) nach 30 gibt es immer ein Drehspiel.
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Bei einem Knickarmroboter, bei dem auch Kardangelenke bei den Handachsen eingesetzt werden, und bei dem die Rotationsachsen in der Regel um die horizontale Ebene pendeln, ist das Drehspiel des Kardangelenkes oder das Getriebespiel zweitrangig, weil sich die Kardanwellen bzw. die Getriebewellen ständig unter Wirkung der Eigengewichtsbelastung des Werkstücks befinden.
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Das vorzeichenbehaftete und richtungsorientierte Drehmoment ist immer großer oder kleiner als Null und das Drehspiel kommt nicht zum Tragen.
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Das Kardangelenkdrehspiel ist bei der Abtriebsgabel nach 29, die eine schräge oder eine horiziontale Position einnimmt, nicht wahrnehmbar, weil durch die Werkstücklast immer ein Restdrehmoment vorliegt.
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Als beispielhaft wurde die Erklärung des Drehspiels des Kardangelenkes beim Einsatz in der vertikalen Rotationsachse eines Deltaroboters entsprechend der 5 anschaulich dargestellt.
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Diese Erklärung an dieser Anwendung des Kardangelenkes bei einem Deltaroboter schränkt den Einsatz der Erfindung nicht ein.
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Die Erfindung kann auch in anderen Industriezweigen, in denen Kardangelenke verwendet werden zur Drehspielreduktion und zur Schwingungsreduktion eingesetzt werden.
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Bei einem Kardangelenk bei dem die Abtriebsgabel der Rotationsachse dauerhaft in der vertikalen Richtung ist, befindet sich die rotatorische Achse nach dem Erreichen der Sollwinkelsollposition in einer unbestimmten Winkelposition, die innerhalb des Drehspiels der Kardangabel des Kardangelenkes nach 12 liegt.
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Das Drehspiel des Kardangelenkes nach dem Stand der Technik in 1 ist als eine Winkeländerung, wenn eine Kardangabel rotatorisch festgehalten wird und auf die zweite Kardangabel eine wechselnde Momentenbelastung oder eine definiert alternierende minimale Drehbewegung aufgebracht wird, definiert.
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Die Messung des Drehspiels eines Wellengelenkes bzw. Kardangelenkes ist in der Norm DIN 808 dargestellt und definiert.
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Auf dem Maschinenbaumarkt sind Kardangelenke von der Firma INA - Schäffler bekannt und als Industriestandard lieferbar.
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Die Drehgelenke (2) der Firma INA - Schäffler, die sich zwischen der Kardangabel und dem Kardankreuz befinden werden vorgespannt, um das Drehspiel der Kardangelenkes insgesamt zu reduzieren.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, das Drehspiel in der erreichten Sollposition der Drehbewegung zu beseitigen und die Qualität der Bewegung dadurch zu erhöhen und zu verbessern, weil die Stoße infolge des Drehspiels nach der 12 durch die Drehspielbeseitigung entsprechend der 11 verhindert werden.
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Die Drehspielbeseitigung wird auf einem neuen erfinderischen innovativen konstruktiven Weg erreicht.
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Eine Lösung für die Eliminierung des Drehspieles des Kardangelenkes besteht in der Verspannung der Kardangabeln in Richtung der Rotationsachsen mit einem Federelement.
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Durch diese Maßnahme nimmt die Kardangabel nach dem Stillstand und dem Abbremsens des Elektromotors immer eine eindeutig definierte Drehwinkelsollposition ein.
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Es werden die Kardangabeln des Kardangelenkes direkt durch Federelemente zueinander vorgespannt und nicht die Drehgelenke zwischen dem Kardankreuz und der Kardangabel, wie es zum Beispiel bei den bereits erwähnten Kardangelenke von der Firma INA - Schäffler der Fall ist.
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Die Beseitigung des Drehspiels in der Winkelendposition wird dadurch erreicht, dass die Kardangabeln (1) zueinander durch ein Federelement verspannt werden.
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Das Federelement kann als eine zylindrische Torsionsspiralfeder 13 oder konische Torsionsspiralfeder nach 15 ausgeführt sein.
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Das vorgespannte Kardangelenk kann im inneren der Torsionsspiralfeder positioniert sein wie in 14 und 16 dargestellt, oder die Torsionsspiralfeder kann im inneren des Kardangelenkes positioniert werden.
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Das Federelement kann konstruktiv ausgeführt werden als
- - eine zylindrische Torsionsspiralfeder nach 13
- - eine konische Spiraltorsionsfeder nach 15
- - ein erfinderisches Festkörpergelenk nach 20 mit Doppelfunktion als flexibles Kardangelenk, das kleine Winkeländerungen um zwei senkrecht aufeinander stehende Drehachsen zulässt und gleichzeitig als Torsionsvorspannungsfeder dient.
- - ein innerhalb des äußeren Kardangelenkes innen eingebauter flexibles Torsionskardangelenk mit einer oder zwei kurzen Torsionsspiralfedern nach der 25.
- - Ein erfinderisches flexibles Kardangelenk mit Doppelfunktion der großen Winkelneigungen der Wellen und einer angepassten Torsionsvorspannfunktion nach der 27. Die Steuerung der Torsionssteifigkeit und der Größe der Vorspannung wird durch die geometrische Gestaltung der Verjüngung (15) der Kardangabel realisiert.
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Eine erfinderische Torsionsfeder, die als multifunktionales Festkörpergelenk nach der 20 ausgeführt ist, besteht aus zwei zueinander senkrecht verdrehten Blattfedern und wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn die Winkeländerung der Gabeln zueinander klein ist und die Blattfedern verwinden sich gezielt infolge der aufgebrachten Vorspannung und gleichzeitig folgen sie auch der Winkeländerung der Kardangabeln.
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Durch die Verspannung der Drehbewegung der Kardangabeln zueinander durch eine Torsionsfeder entsteht bei einer festgehaltenen Kardangabel eine Drehmoment Drehwinkel Charakteristik entsprechend der 11.
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Der Vergleich der „Drehmoment - Drehwinkel Charakteristik“ in der 11 und 12 zeigt sehr anschaulich ein vorgespanntes Kardangelenk ohne Drehspiel und ein nicht vorgespanntes Gelenk mit Drehspiel.
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Eine festgehaltene Kardangabel entspricht einer Situation bei der der Antriebsmotor steht und die Motorbremse eingefallen ist.
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In den 13,15,17,19,24 und 26 sind einige vorteilhafte innovative konstruktive Ausführungen des verdrehspielfreien und des schwingungsreduzierenden Wellengelenkes bzw. Kardangelenkes dargstellt.
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In der 13 ist ein vorgespanntes Kardangelenk mit einer außen angebrachten das Kardangelenk umschießenden zylindrischen Torsionsspiralfeder (12), die zwei Kardangabeln form- oder kraftschlüssig verbindet und gleichzeitig zueinander verspannt, dargstellt.
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In 14 ist das vorgespannte Kardangelenk aus der 13 in einem vertikalem Symmetrieschnitt dargestellt.
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In der 15 ist ein vorgespanntes Kardangelenk mit einer außen angebrachten das Kardangelenk umschießenden doppelkonischen Torsionsspiralfeder (13), die zwei Kardangabeln form- oder kraftschlüssig verbindet und gleichzeitig zueinander verspannt, dargstellt
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In 16 ist das vorgespannte Kardangelenk aus der 15 in einem vertikalem Symmetrieschnitt dargestellt.
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In der 17 ist ein vorgespanntes Kardangelenk mit einer zylindrischen Torsionsspiralfeder (20), die durch eine Bohrung im Kardankreuz geführt ist, die zwei Kardangabeln verbindet und gleichzeitig zueinander verspannt, dargestellt.
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In 18 ist das vorgespannte Kardangelenk aus der 17 in einem vertikalen Symmetrieschnitt dargestellt.
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In der 24 zeigt im Schnitt zwei ineinander verschachtelte Kardangelenke, das Außenkardangelenk überträgt das Drehemoment, das innere Kardangelenk 25 verspannt die Kardangabeln des äußeren Kardangelenkes mit Hilfe von kurzen Torsionsfedern (19), die zwischen die Kardangabeln des äußeren großen Kardangelenkes und des inneren kleinen Kardangelenkes montiert/befestigst sind.
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In der 25 ist das innere Kardangelenk mit zwei kurzen Torsionsspiralfedern dargestellt.
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Die 26 zeigt zwei ineinander geschachtelte Kardangelenke im Schnitt, das innere erfinderische Kardangelenk mit Doppelfunktion mit der verjüngenden Kardangabel (17), diese dient als Torsionsfeder, das die zwei äußeren Kardangabeln verspannt.
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In der 28 ist die Außenkardangabel (14), Außenkardanring (6) und inneres Kardangelenk, dessen Gabelverjüngung (15) die Torsionsspiralfeder ersetzt dargstellt.
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In der 20 ist ein multifunktionales Festkörper Gelenk dargsstellt, das bei Kardangelenken mit kleinen Winkeländerungen eingesetzt wird.
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Die zwei zueinander senkrecht stehende Blattfedern (14) erlauben zwei zueinander senkrechte stehende Drehwinkeländerungen und dienen gleichzeitig als Blattfedern zum Aufbau der Torsionsvorspannung für die zwei Kardangabeln.
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In der 20 ist das mit einem innerem Festkörperkardangelenk vorgespannte äußere Kardangelenk für kleine Winkeländerung dargstellt.
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Die 21 ist identisch mit 19, lediglich das Kardankreuz wurde ausgeblendet, um die Funktionalität des Festkörpergelenkes zu verdeutlichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Kardangabel
- 2.
- Drehgelenk
- 3.
- Kardankreuz
- 4.
- Schnittpunkt der Drehgelenke einer Viergelenkkette bzw. eines Kardangelenkes
- 5.
- Nadellager
- 6.
- Außenring eines Kardangelenkes
- 7.
- Drehachse eines Delta Roboters
- 8.
- vertikal eingebaute Kardangabel als Bestandteil einer Drehachse
- 9.
- Lager für eine vertikale Abtriebskardangabel
- 10.
- Drehspiel einer Kardangabel Anfang
- 11.
- Drehspiel einer Kardangabel Ende
- 12.
- zylindrische Torsionsspiralfeder
- 13.
- konische Torsionsspiralfeder
- 14.
- Blattfeder eines Festkörperkardangelenkes
- 15.
- Verjüngung einer Kardangabel
- 16.
- vertikal eingebaute Kardangabel
- 17.
- Kardangabel in einer zylindrischen Ausführungsform
- 18.
- für die Verspannung der äußeren Kardangabeln eingesetztes inneres Kardangelenk mit zwei zylindrischen Torsionsspiralfedern
- 19.
- Torsionsspiralfedern des inneren Kardangelenkes
- 20.
- Torsionsspiralfedern im Inneren des Kardangelenkes zu Verspannung der Kardangabeln
