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Die Erfindung betrifft eine Kugelgelenkanordnung zum drehbaren Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element, sowie eine alternative Ausführung der Kugelgelenkanordnung.
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Die folgenden Informationen ergeben sich nicht durch ein konkretes Dokument aus dem Stand der Technik, sondern sind allgemein verfügbares Fachwissen über Kugelgelenke: Mehrdimensionale Rotationsgelenke, insbesondere Kugelgelenke, dienen dazu, zwei physische Teile miteinander so zu verbinden, dass eine Änderung einer Orientierung der Teile relativ zueinander um mehr als eine kinematische Drehachse möglich ist. Häufig wird hierbei der Winkelbereich, innerhalb dessen eine Orientierungsänderung der Teile gegeneinander möglich ist, dadurch begrenzt, dass ein kugelförmiger Gelenkkopf von der Kugelpfanne so gehalten wird, dass sich der kugelförmige Gelenkkopf nicht von selbst aus der Kugelpfanne herauslösen kann. Typischerweise ergeben sich somit Schwenkwinkel um eine horizontale Achse von kleiner als 180°. Im Stand der Technik sind ferner magnetische Kugelgelenke bekannt, die dieses Problem dadurch lösen, dass sie den Gelenkkopf und die Kugelpfanne durch magnetische Kräfte aneinander halten. Naturgemäß ist eine solche magnetische Verbindung jedoch deutlich schwächer als eine mechanische Verbindung und kann sich schon bei geringen äußeren Störungen zerlegen. Bei magnetischen Kugelgelenken tritt außerdem der Nachteil auf, dass magnetische Effekte ausnutzende Sensoren zur Ermittlung einer relativen Orientierung beider Teile zueinander nicht unmittelbar im Gelenk verwendet werden können, da das Magnetfeld zum Zusammenhalten des Gelenkkopfs und der Kugelpfanne das Sensorsignal völlig verfälschen würde. Zudem können die für den Gelenkkopf und die Kugelpfanne verwendeten Materialien nicht beliebig gewählt werden, sondern müssen entsprechende magnetische Eigenschaften aufweisen. Typische Kreuz-Gelenke, auch genannt KardanGelenk, mit zwei zueinander senkrechten Drehachsen dagegen benötigen häufig eine Vielzahl von einzelnen Bauelementen, die zusammengesetzt eine komplexe Struktur ergeben.
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Die
EP 3 336 369 A1 betrifft hierzu ein Befestigungssystem zum Befestigen eines mit einer Befestigungsnut versehenen ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil, mit einer Kugelkopfschraube, die ein Gewinde und einen Kugelkopf aufweist, mit einem auf das Gewinde aufschraubbaren Nutenstein, der zum Einfügen in die Befestigungsnut des ersten Bauteils eingerichtet ist, und mit einem Befestigungsstück, das eine Kugelkopfaufnahme und eine ebene Befestigungsauflagefläche für das Befestigen des Befestigungsstücks an dem zweiten Bauteil aufweist. Die Kugelkopfaufnahme nimmt den Kugelkopf unter Bildung eines Kugelgelenks auf, wobei die Befestigungsauflagefläche in einer Mittenstellung des Kugelgelenks parallel und versetzt zu einer Längsachse der Kugelkopfschraube ist und die Kugelkopfaufnahme eine Mehrzahl von Aussparungsabschnitten zum Aufnehmen eines an den Kugelkopf anschließenden Schraubenabschnitts der Kugelkopfschraube in zugehörigen Stellungen der Kugelkopfschraube aufweist, wobei ein Kippwinkel zwischen der Längsachse der Kugelkopfschraube in der Mittenstellung und der Längsachse der Kugelkopfschraube in der vom Aussparungsabschnitt aufgenommenen Stellung mindestens 90° beträgt.
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Die
US 6 409 413 B1 betrifft ferner ein kugelförmiges Gelenk, bestehend aus: a) ein kugelförmiger Körper; b) eine erste Welle, die an diesem kugelförmigen Körper befestigt ist; c) ein Kurvengehäuse mit einer vertikalen Achse, wobei das Kurvengehäuse eine Nockenfläche umfasst, die im Wesentlichen schräg zur vertikalen Achse verläuft und so positioniert ist, dass sie funktionell in die erste Welle eingreift; d) eine Mehrzahl von Lagern, die um den Gelenkkörper herum angeordnet sind und die Bewegung des Kugelkörpers relativ zum Kurvengehäuse auf Drehungen um die Mitte des Gelenkkörpers beschränken, wobei ein erstes Lager der Mehrzahl von Lagern eine Lagerschale umfasst, die am Kurvengehäuse befestigt ist; e) eine Dreh-Verbindung zwischen dem Kurvengehäuse und einem Gelenksockel; und die Verbindungsbasis, wobei bei funktionellem Eingriff des Kurvengehäuses eine Kraft erzeugt wird, die auf die Bewegung der ersten Welle reagiert, und ein resultierendes Drehmoment bewirkt, sodass sich das Kurvengehäuse um die vertikale Achse auf der Dreh-Verbindung dreht.
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Die
DE 10 2010 020 084 A1 betrifft schließlich ein Kugelgelenk für die Übertragung von Kräften und/oder Momenten, aufweisend ein kugelartiges Element, das in einer Pfanne gelagert ist, wobei das kugelartige Element zumindest eine Vertiefung aufweist, in die mindestens ein Eingriffskörper der Pfanne eingreift und dass das kugelartige Element bewegbar in der Pfanne gelagert ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgelenk bereitzustellen, welches einen möglichst großen Bewegungsspielraum aufweist, gleichzeitig dabei jedoch mechanisch simpel und kostengünstig aufgebaut ist.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Kugelgelenkanordnung zum drehbaren Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element, aufweisend einen kugelförmigen Gelenkkopf, eine Kugelpfanne zum Aufnehmen des Gelenkkopfs, und einen Sockel, wobei der Sockel zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung an das erste Element dient und ein vom Gelenkkopf abstehender Stift zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung an das zweite Element dient, wobei die Kugelpfanne eine Vielzahl von sich vom Sockel aus bis mindestens über die halbe Höhe des Gelenkkopfes hinaus erstreckenden und zueinander durch Spalten beabstandete und schräg und entlang der Oberfläche des Gelenkkopfs führende Halteelemente aufweist, wobei die Halteelemente so am Sockel drehbar gelagert sind, dass sie um eine gemeinsame, durch den Gelenkkopf führende und relativ zum Sockel körperfeste Rotationsachse um den Gelenkkopf drehbar sind, wobei der schräge Verlauf der Halteelemente durch einen Neigungswinkel zumindest einer ihrer jeweiligen Seitenflächen gegenüber der Rotationsachse entsteht, sodass sich beim Rotieren des Gelenkkopfs von einer vom Sockel wegweisenden Orientierung des Stifts hin zu einer zum Sockel gerichteten Orientierung des Stifts der Stift entweder in einer der Spalten zwischen den Halteelementen bewegt oder beim Auftreffen auf eine Seitenfläche mit Neigungswinkel eines der Halteelemente sich zumindest das getroffene Halteelement um die Rotationsachse verdreht und der weiteren Bewegung des Stifts durch Rotation um die Rotationsachse ausweicht.
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Die Kugelgelenkanordnung dient zum Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element, sodass das erste Element und das zweite Element zumindest über einen bestimmten Winkelbereich um mindestens zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen gegeneinander verkippbar sind. Sind das erste Element und das zweite Element entlang einer gemeinsamen Geraden ausgerichtet, so definieren sich die beiden genannten aufeinander senkrecht stehen Achsen darüber, dass die Gerade eine Senkrechte auf eine Ebene bildet, die durch die beiden aufeinander senkrecht stehenden Achsen definiert wird. Typischerweise (aber nicht in jedem Fall notwendigerweise) ist außerdem ein dritter rotatorischer Freiheitsgrad möglich, der im oben genannten Beispiel der entlang einer gemeinsamen Geraden ausgerichteten zwei Elemente diese Gerade als Rotationsachse selbst aufweist. Ist dieser dritte rotatorische Freiheitsgrad vorhanden, ist eine Bewegung des ersten Elements gegenüber dem zweiten Element zumindest in einem bestimmten Winkelbereich um drei aufeinander senkrecht stehende Achsen möglich, das heißt insbesondere in den drei Eulerwinkeln - eine Drehmomentübertragung wie bei einer Kardanwelle ist dann wegen des zusätzlichen Freiheitsgrades nicht möglich. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad besteht typischerweise bei Kugelgelenken wie der erfindungsgemäßen Kugelgelenkanordnung, wenn er nicht durch besondere Maßnahmen unterbunden wird. Welche konkreten Elemente das erste Element und das zweite Element tatsächlich sind, hängt von der jeweiligen Anwendung ab und kann verschiedenste Anwendungsgebiete betreffen, siehe unten.
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Die Kugelgelenkanordnung weist daher mechanische Schnittstellen zum ersten Element und zum zweiten Element auf, wobei die Schnittstellen insbesondere im Falle des Sockels auch rein gedanklich ausgeführt sein können, sodass das erste Element und der Sockel ein und dasselbe Bauteil sein können. Für die erfindungsgemäße Kugelgelenkanordnung ist diese Unterscheidung irrelevant. Es sei lediglich auf die Funktion des Sockels und des am Gelenkkopf angeordneten Stifts hingewiesen, diese genannten Schnittstellen auszubilden. Somit ist es vorgesehen, dass der Stift und der Sockel gegeneinander die erwähnten rotatorischen Freiheitsgrade aufweisen.
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Der Neigungswinkel zumindest einer Seite eines jeweiligen der Halteelemente bewirkt, dass die Halteelemente zumindest abschnittsweise spiralförmig, das heißt helixartig, sich um den kugelförmigen Gelenkkopf herum winden. Dabei ist der Durchmesser der gedachten Helix jedoch variabel, da die Halteelemente der Oberfläche des kugelförmigen Gelenkkopfes spiralförmig folgen - der lokale Durchmesser der gedachten Helix entspricht dem lokalen Kugeldurchmesser.
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Der kugelartige Gelenkkopf ist insbesondere vollständig kugelförmig mit Ausnahme der Anschlussstelle des Stifts. Der Stift steht von der Oberfläche des Gelenkkopfes ab und kann auch als Bolzen, Zapfen, Stiftschraube im Sinne eines Gewindestifts, oder Ähnlichem verstanden werden - dies hängt prinzipiell von der Verwendung der Kugelgelenkanordnung und damit der Ausbildung des zweiten Elements ab. In jedem Fall ist der Stift mit dem kugelförmigen Gelenkkopf verbunden, insbesondere fest und damit drehmomentsteif. Der Durchmesser des Stifts ist vorteilhaft kleiner, besonders bevorzugt deutlich kleiner, als der Durchmesser des Gelenkkopfes.
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Der Begriff der Kugelpfanne ist ferner funktional zu sehen, eine Pfannenform im eigentlichen Sinn wird durch die Halteelemente nicht ausgebildet; vielmehr erstrecken sich die Halteelemente entlang von spiralförmigen Kurven auf der Oberfläche des Gelenkkopfes und folgen so der konvexen Wölbung des Gelenkkopfes bis zu einer bestimmten Höhe des Gelenkkopfes, mindestens aber einer halben Höhe vom Sockel aus.
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Die Halteelemente sind ferner karussellartig gegenüber dem Sockel gelagert, sodass sie sich um den Gelenkkopf als Zentrum des Karussells herum drehen. Sie können im Allgemeinen daher um 360° um ihre gemeinsame Rotationsachse über beliebig viele Umdrehungen rotiert werden. Die gemeinsame Rotationsachse der Halteelemente ist keine mechanische Achse, sondern eine kinematische Achse, die sich aus der Geometrie der drehbaren Lagerung der Halteelemente am Sockel ergibt. Somit ist auch die Rotationsachse nicht physisch körperfest am Sockel angeordnet, sondern es besteht eine körperfeste geometrische Relation bezüglich des Sockels. In anderen Worten ist diese Rotationsachse der Halteelemente von der Orientierung des Gelenkkopfes (relativ zum Sockel) unabhängig.
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Rotiert der Gelenkkopf zusammen mit dem Stift so, dass der Stift von seiner Ursprungsorientierung, die weg gerichtet vom Sockel ist, zu einer zum Sockel hin gerichteten Orientierung des Stifts gedreht wird, würde bei einer konventionellen Gelenkpfanne der Stift einen oberen Randbereich der Gelenkpfanne berühren und dort zum Liegen kommen. Dadurch jedoch, dass Spalten zwischen den Halteelementen bestehen, kann der Stift in diesen gleiten, oder wenn der Stift eine solche geneigte Seitenfläche eines der Halteelemente trifft, so übersetzt der Neigungswinkel dieser Seitenfläche die Abwärtsbewegung des Stifts in eine senkrecht dazu gerichtete Rotationsbewegung des getroffenen Halteelements in seiner Umfangsrichtung (und bevorzugt synchron dazu seiner weiteren Halteelemente), da der Neigungswinkel der Seitenfläche als schiefe Ebene für den Krafteintrag des Stifts auf das getroffene Halteelemente wirkt, sodass sich dieses Halteelement in ihrem rotatorischen Freiheitsgrad gegenüber dem Sockel um die Rotationsachse verdreht und den weiteren Weg des Stifts in Richtung des Sockels hin freigibt, sodass der Stift in einem sehr großen Winkelbereich verdrehbar ist, insbesondere zu dem Sockel hingewandten Winkeln.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die erfindungsgemäße Kugelgelenkanordnung aus sehr wenigen einzelnen mechanischen Bestandteilen bestehen kann. Darüber hinaus ist es ein Vorteil, dass die Kugelgelenkanordnung keine Aktoren benötigt, und insbesondere damit auch keine implementierte Software oder eine Energiequelle. Dadurch, dass ein Herabdrehen des Stifts zum Sockel hinab - wenn nicht ohnehin hindernisfrei zwischen den Halteelementen hindurch in den Spalten - beim Anstoßen an eines der Halteelemente zu einer zur abwärts gerichteten senkrechten Drehbewegung in Umfangsrichtung zumindest des gestoßenen Halteelements führt, kann vorteilhaft ein Rotieren des Stifts unter die zu dem Sockel parallele Ebene erfolgen, sodass in der Ebene des Herabdrehens ein Winkelbereich des Stifts von deutlich über 180° erreicht werden kann. Der Bewegungsspielraum des Stifts gegenüber einer herkömmlichen Kugelpfanne aus dem Stand der Technik (vergleiche weiter unten dazu auch die Figurenbeschreibung) wird dadurch erheblich vergrößert.
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Mögliche Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Kugelgelenkanordnung sind (aber nicht ausschließlich): Haptische Vorrichtungen, Exoskelette, Kamerastative, Prothesen, Lampenhalterungen, Skibindungen, Snowboardbindungen, Elemente eines Fallschirms, Gerätehalterungen wie Smartphone-Halterung, insbesondere für den Innenraum eines Fahrzeugs, Fahrwerkselement eines Fahrzeugs, insbesondere Radaufhängung, Gelenk eines Lüfters, Halteeinheit eines Staubsaugers;
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind sämtliche Halteelemente auf einer gemeinsamen Basis angeordnet, sodass bei der Rotation eines der Halteelemente um die gemeinsame Rotationsachse alle weiteren Halteelemente gleichzeitig und gleichermaßen mitrotieren.
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Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, das optimale mechanische Eigenschaften konstant dadurch erhalten werden, dass auch bei einer Rotation der Halteelemente gegenüber dem Sockel um ihre gemeinsame Rotationsachse, die gedacht durch den Gelenkkopf verläuft (aber nicht zu diesem körperfest ist, sondern zum Sockel körperfest ist), die Halteelemente ihren konstanten Abstand voneinander behalten, ohne in irgendeiner Richtung variable Eigenschaften durch größer oder kleiner werdende Spalte zwischen den Halteelementen entstehen zu lassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Halteelemente in gleichen Abständen zueinander auf einem Umfang der Basis angeordnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich die Halteelemente über mindestens 4/7, bevorzugt über mindestens 2/3, besonders bevorzugt über mindestens 3/4, eines Durchmessers des kugelförmigen Gelenkkopfes entlang der Rotationsachse hinaus.
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Je höher sich hierbei die Halteelemente bezüglich des kugelförmigen Gelenkkopfs über dessen Äquatorebene hinaus erstrecken, umso besser wird der Gelenkkopf durch die Halteelemente in Formschluss gehalten. Dabei sollte jedoch noch ausreichend Bewegungsspielraum für den Stift an seiner vom Sockel weg-gerichteten Orientierung bestehen bleiben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Halteelemente entlang ihrer beider Seitenflächen einen jeweiligen Neigungswinkel gegenüber der Rotationsachse auf und verjüngen sich vom Sockel weg zu ihrer Spitze hin, sodass beim Auftreffen des Stifts je nach Seitenfläche eines jeweiligen Halteelements der Drehsinn der Halteelemente unterschiedlich sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Halteelemente entlang ihrer beider Seitenflächen einen gleichgerichteten Neigungswinkel gegenüber der Rotationsachse auf und weisen vom Sockel weg zu ihrer Spitze konstante Abstände zwischen den Seitenflächen auf, sodass beim Auftreffen des Stifts auf der Seitenfläche eines jeweiligen Halteelements der Drehsinn der Halteelemente unterschiedlich sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an einer jeweiligen Spitze eines jeweiligen der Halteelemente ein Wippelement angeordnet, wobei die Wippbewegung in einer Tangentialebene der lokalen Oberfläche des Gelenkkopfes so erfolgt, dass der auf das Wippelement auftreffende Stift in jedem Fall zu einer Seitenfläche des Halteelements abgleitet.
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Durch das Wippelement wird vorteilhaft vermieden, dass sich eine Singularität beim Auftreffen des Stifts auf die Spitze eines der Halteelemente ergibt, was prinzipiell dann möglich wäre, wenn der Stift die oberste Spitze des Halteelements trifft, sodass er weder links noch rechts des Halteelements (das heißt an keiner der beiden Seitenflächen) abgleitet, sondern auf der Spitze zu liegen kommt. Durch Einführung des Wippelements ist eine solche Singularität in jedem Fall ausgeschlossen, da der Stift beim Auftreffen auf die Spitze des Halteelements durch die Wippbewegung des Wippelements zu einer der beiden Seiten (links oder rechts des Halteelements) in Richtung des Sockels abgleitet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Wippelement in die Spitze eines jeweiligen Halteelements integriert und durch Verwendung anisotroper und nachgiebiger Materialeigenschaften in der Spitze des Halteelements realisiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kugelgelenkanordnung weiterhin eine Sensoreinheit auf, insbesondere eine Drehwinkelsensoreinheit.
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Die Sensoreinheit weist einen oder mehrere Sensoren auf. Als Sensoren können verwendet werden (aber nicht ausschließlich), einzeln oder in Kombination miteinander: Ein optischer Sensor am oder unterhalb der Kugelpfanne oder am Sockel, um beispielsweise eine optische Markierung, insbesondere ein Punktmuster, auf dem Gelenkkopf zu erkennen bzw. deren Bewegungen zu verfolgen, ein Hall-Sensor am oder unterhalb der Kugelpfanne oder am Sockel in Verbindung mit Magneten am und bevorzugt innerhalb des Gelenkkopfes, sodass eine Änderung des Rotationswinkels des Gelenkkopfes durch Änderung des magnetischen Feldes am Hall-Sensor erfasst wird. Durch die Hinzunahme eines oder mehrerer Sensoren in einer Sensoreinheit wird vorteilhaft die Information über die Orientierung zwischen Sockel und Stift erhalten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kugelgelenkanordnung zum drehbaren Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element, aufweisend einen kugelförmigen Gelenkkopf, eine Kugelpfanne zum Aufnehmen des Gelenkkopfs, und einen Sockel, wobei der Sockel zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung an das erste Element dient und ein vom Gelenkkopf abstehender Stift zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung an das zweite Element dient, wobei die Kugelpfanne eine Vielzahl von sich vom Sockel aus bis über die halbe Höhe des Gelenkkopfes hinaus erstreckenden und zueinander durch Spalten beabstandete und entlang der Oberfläche des Gelenkkopfs führende Halteelemente aufweist, wobei die Halteelemente so am Sockel drehbar gelagert sind, dass sie um eine gemeinsame, durch den Gelenkkopf führende und relativ zum Sockel körperfeste Rotationsachse um den Gelenkkopf durch einen Aktor drehbar sind, sodass sich beim Rotieren des Gelenkkopfs von einer vom Sockel wegweisenden Orientierung des Stifts hin zu einer zum Sockel gerichteten Orientierung des Stifts der Stift entweder in einer der Spalten zwischen den Halteelementen bewegt oder vor dem Auftreffen auf eine Seitenfläche eines der Halteelemente durch Ansteuerung des Aktors oder magnetische Abstoßung zwischen dem Stift und dem Halteelement sich das Halteelement um die Rotationsachse verdreht und der weiteren Bewegung des Stifts durch Rotation um die Rotationsachse ausweicht.
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Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen nach dem ersten Aspekt der Erfindung weist diese Alternative der Kugelgelenkanordnung nicht zwingend schräg verlaufende Seitenflächen der Halteelemente auf, sondern die ausweichende Rotationsbewegung einer oder sämtlicher Halteelemente erfolgt entweder dadurch, dass eine magnetische Abstoßung zwischen dem Stift und den Halteelementen automatisch erfolgt, sodass die Halteelemente immer dem Stift derart ausweichen, dass sich der Stift innerhalb eines Spalts zwischen zwei Halteelementen frei bewegen kann. Oder die ausweichende Rotationsbewegung einer oder sämtlicher Halteelemente erfolgt durch eine aktive Regelung, in der die Position des Stifts sowie die Position der Halteelemente miteinander verglichen wird und durch eine motorisch angetriebene Einheit, nämlich durch den Aktor, eine entsprechende Rotationsbewegung der Halteelemente zum Ausweichen und Freigeben der Bewegung des Stifts eingeleitet wird.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der vorgeschlagenen alternativen Kugelgelenkanordnung ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Kugelgelenkanordnung gemäß dem ersten Aspekt vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1: Eine Kugelgelenkanordnung aus dem Stand der Technik.
- 2: Eine Kugelgelenkanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3: Eine Kugelgelenkanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4: Eine Kugelgelenkanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5: Eine Kugelgelenkanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt eine konventionelle Kugelgelenkanordnung aus dem Stand der Technik. Hierbei ist ein Stift mit einem Gelenkkopf verbunden und der Gelenkkopf kann sich in einer Kugelpfanne bewegen. Wie durch die gestrichelte senkrechte und den gestrichelt gezeichneten gebogenen Pfeil angedeutet ist jedoch der Bewegungsspielraum des Stifts in einem Quadranten kleiner als 90°, d. h. in der gezeichneten Bewegungsebene kleiner als 180°. Dies schränkt nachteilig den Bewegungsspielraum des Stifts und damit die Funktionsweise des Gelenks deutlich ein.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Kugelgelenkanordnung 1 zum drehbaren Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element, wobei diese Elemente der Einfachheit halber nicht in der 2 gezeichnet sind. Die Kugelgelenkanordnung 1 weist einen kugelförmigen Gelenkkopf 3, eine Kugelpfanne 7 zum Aufnehmen des Gelenkkopfs 3, und einen Sockel 9 auf. Der Sockel 9 dient zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung 1 an das erste Element, und ein vom Gelenkkopf 3 abstehender Stift 5 dient zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung 1 an das zweite Element. Die Kugelpfanne 7 selbst wird gebildet durch drei von sich vom Sockel 9 aus bis über die halbe Höhe des Gelenkkopfes 3 hinaus erstreckenden und zueinander durch Spalten beabstandete und schräg und entlang der Oberfläche des Gelenkkopfs 3 führende Halteelemente 11. Die Halteelemente 11 sind dabei so am Sockel 9 drehbar gelagert, dass sie um eine gemeinsame, durch den Gelenkkopf 3 führende und relativ zum Sockel 9 körperfeste Rotationsachse um den Gelenkkopf 3 drehbar sind - in der 2 entspricht dies einer Drehung in einer horizontalen Ebene, das heißt um die gestrichelt eingezeichnete senkrechte Hochachse. Der schräge Verlauf der Halteelemente 11 an einer jeweiligen linken Seitenfläche eines Halteelements 11 entsteht durch einen Neigungswinkel gegenüber der Rotationsachse und öffnet sich vom Sockel 9 weg. Rotiert der Gelenkkopf 3 so, dass der Stift 5 von einer vom Sockel 9 wegweisenden Orientierung (vgl. die senkrechte Linie an der Oberseite des Gelenkkopfs 3 in 2) entlang des von oben nach unten gebogenen und gestrichelt gezeichneten Pfeils in Richtung einer zum Sockel 9 gerichteten Orientierung rotiert (in die in 2 gezeigte Orientierung), bewegt sich der Stift 5 in einer der Spalten zwischen den Halteelementen 11 solange bis er auf ein Halteelement 11 trifft und beim Auftreffen auf der Seitenfläche des getroffenen Halteelements 11 mit Neigungswinkel und seiner weiteren Abwärtsbewegung das getroffene Halteelement 11, und damit auch alle anderen Halteelemente 11, um die Rotationsachse (symbolisiert durch den linken, in der horizontalen Ebene dargestellten und gestrichelt gezeichneten Pfeil) dreht. In 2 ist der Stift 5 dabei in seiner Endstellung gezeigt - der Weg hierhin wird nochmals in 3 verdeutlicht.
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3 zeigt das Auftreffen des Stifts 5 auf die geneigte Seitenfläche des getroffenen Halteelements 11 genauer, sowie die daraus resultierende Drehbewegung der Halteelemente 11. Dieses Auftreffen und die weitere Abwärtsbewegung des Stifts 5 führt zu einer karussellartigen Drehbewegung der Halteelemente 11, so dass der Stift 5 weiter in Richtung des Sockels 9 verdreht werden kann. Gleichzeitig ist in der 3 eine weitere Modifikation der Halteelemente 11 gegenüber denen der in 2 gezeigten dargestellt: An einer jeweiligen Spitze eines jeweiligen der Halteelemente 11 ist ein Wippelement 13 angeordnet, welches an der Spitze eines jeweiligen Halteelements 11 drehbar gelagert ist, sodass es in der Zeichenebene gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn rotieren kann. Die Wippbewegung erfolgt in einer Tangentialebene der lokalen Oberfläche des Gelenkkopfes 3 so, dass der auf das Wippelement auftreffende Stift 5 in jedem Fall zu einer Seite des Halteelements 11 abgleitet.
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4 zeigt eine alternative Kugelgelenkanordnung 1 zum drehbaren Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element. Die Kugelgelenkanordnung 1 weist wiederum einen kugelförmigen Gelenkkopf 3, eine Kugelpfanne 7 zum Aufnehmen des Gelenkkopfs 3, und einen Sockel 9 auf, die prinzipiell die gleichen Funktionen wie die in der 2 beschriebenen Ausführungsform aufweisen. Jedoch weisen in der Ausbildung der 4 die Halteelemente 11 entlang ihrer beiden Seitenflächen einen gleichgerichteten Neigungswinkel gegenüber der Rotationsachse auf, sodass beim Auftreffen des Stifts 5 auf der Seitenfläche eines jeweiligen Halteelements 11 der Drehsinn der Halteelemente 11 immer gleich ist.
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5 zeigt eine alternative Kugelgelenkanordnung 1 zum drehbaren Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element. Die Kugelgelenkanordnung 1 weist wiederum einen kugelförmigen Gelenkkopf 3, eine Kugelpfanne 7 zum Aufnehmen des Gelenkkopfs 3, und einen Sockel 9 auf. Der Sockel 9 dient zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung 1 an das erste Element und ein vom Gelenkkopf 3 abstehender Stift 5 zur Anbindung der Kugelgelenkanordnung 1 an das zweite Element. Die Kugelpfanne 7 weist darüber hinaus eine Vielzahl von sich vom Sockel 9 aus bis über die halbe Höhe des Gelenkkopfes 3 hinaus erstreckenden und zueinander durch Spalten beabstandete und entlang der Oberfläche des Gelenkkopfs 3 führende Halteelemente 11. Die Halteelemente 11 sind so am Sockel 9 drehbar gelagert, dass sie um eine gemeinsame, durch den Gelenkkopf 3 führende und relativ zum Sockel 9 körperfeste Rotationsachse um den Gelenkkopf 3 durch einen elektrischen oder magnetischen Aktor drehbar sind, sodass sich beim Rotieren des Gelenkkopfs 3 von einer vom Sockel 9 wegweisenden Orientierung des Stifts hin zu einer zum Sockel 9 gerichteten Orientierung des Stifts 5 der Stift 5 entweder in einer der Spalten zwischen den Halteelementen 11 bewegt oder vor dem Auftreffen auf eines der Halteelemente 11 durch Ansteuerung des Aktors oder magnetische Abstoßung zwischen dem Stift 5 und dem Halteelement 11 sich das Halteelement 11 um die Rotationsachse verdreht und der weiteren Bewegung des Stifts 5 durch Rotation um die Rotationsachse ausweicht. Die Halteelemente 11 können hierbei ohne Neigungswinkel, das heißt nicht-spiralförmig, und daher geradlinig vom Sockel 9 herkommend der Oberfläche des Gelenkkopfs 3 folgen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgelenkanordnung
- 3
- Gelenkkopf
- 5
- Stift
- 7
- Kugelpfanne
- 9
- Sockel
- 11
- Halteelemente
- 13
- Wippelement
