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Die
Erfindung betrifft ein Universalgelenk mit drei gekreuzten, sich
in einem Drehpunkt schneidenden Drehachsen.
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Eine
einfache Grundform davon ist das sphärische Lager. In der Ausführung als
Fluidlager kann es sehr präzise
und reibungsfrei sein. Bei großen Durchmessern – zum Umfassen
großer
Teile – und großen Traglasten
stößt die Bauart
an Grenzen, u.a. durch die hohe erforderliche Leistung zur Fluidförderung.
Die Drehwinkel sind durch das Gelenk prinzipiell nicht beschränkt. Als
Stellantrieb ist ein sphärischer
Motor notwendig.
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Ein
spiel- und reibungsfreies Universalgelenk ist auch aus
EP 0 449 001 B1 bekannt.
Hier sind jeweils für
drei orthogonale Achsen Kreuzfedergelenke eingesetzt. Die Belastbarkeit
dieser Kreuzfedergelenke ist begrenzt. Die Konstruktion ist nicht
zum Umfassen des gelagerten Teils geeignet.
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Eine
Viergelenkkette mit Federgelenken ist als präzise reibungsfreie und steife
Lagerung bekannt, z.B. aus
DE
44 26 160 A1 . Dort ist das einfache Viergelenk mit außenliegendem
virtuellem Drehpunkt beschrieben. Bekannt ist auch das gekreuzte Viergelenk
mit innenliegendem virtuellem Drehpunkt, welches steifer und kompakter
ist.
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Die
Drehwinkel der Viergelenke sind beschränkt auf wenige Grad, da der
virtuelle Drehpunkt sonst zu stark auswandert.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung eines reibungsfreien Universalgelenks,
das ohne Energieverbrauch funktioniert, hohe Tragfähigkeit
ermöglicht
und als möglichst
kompakter Ring um ein zu lagerndes Objekt angeordnet werden kann.
Der Drehbereich um alle Achsen kann auf wenige Grad beschränkt sein.
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Gelöst wir diese
Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Universalgelenk,
bei dem jede Drehachse Lager in Form eines Viergelenks mit je vier
Federgelenken aufweist.
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Die
Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß Viergelenkketten stabile
Drehlager mit beschränktem
Drehwinkel sind, bei denen der Bereich der virtuellen Drehachse
frei von Lagerteilen gehalten werden kann. In Verbindung mit Federgelenken – aus kurzen
Blattfedern – sind
sie reibungs- und hysteresefrei und sehr präzise, dabei belastbar.
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Die
Unteransprüche
2 bis 11 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen,
mit denen die Lösung
der Aufgabe weiter verbessert werden kann.
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Das
nach Anspruch 2 vorgesehene gekreuzte Viergelenk ist präziser als
das einfache Viergelenk. Mit den Maßnahmen nach den Ansprüchen 3 und
7 ist es auch als Drehlager für
eine mit der Symmetrieachse des Freiraums nach Anspruch 4 zusammenfallende
Drehachse geeignet, was nach Anspruch 5 vorgesehen ist und eine
besonders kompakte ringförmige
Ausführung
des Universalgelenks ermöglicht. Das
gilt natürlich
auch noch bei mäßigen Abweichungen
zwischen Drehachse und Symmetrieachse hinsichtlich Durchstoßpunkt durch
das Lager wie hinsichtlich der Richtung.
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Alternativ
ist nach Anspruch 6 vorgesehen, daß die Symmetrieachse des freien
Raums – auch hier
im Rahmen praktischer Toleranzen – die Raumdiagonale eines von
den drei Drehachsen aufgespannten Kubus ist.
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Dies
ist besonders zusammen mit dem Kennzeichen des Anspruchs 11 von
Vorteil: Bei jeder Drehachse, die im Bereich des Universallagers
den Freiraum verläßt, kann
das erfindungsgemäße Viergelenklager
zweifach auf beiden Seiten des Drehpunkts angeordnet werden. Dies
ergibt eine wesentliche Stabilisierung und kann bei der Anordnung
nach Anspruch 6 bei allen drei Achsen, bei der Anordnung nach Anspruch
5 nur bei zwei Achsen ausgeführt werden.
Auch bei letzterer Anordnung kann das Lager jedoch axial versetzt
zweimal hintereinander angeordnet werden.
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Die
Ansprüche
8 bis 10 zeigen den Vorteil, daß im
Gegensatz zu einem sphärischen
Lager einfache Rotationsmotoren (Torquemotoren), Rotationsbremsen
und Rotationsgeber eingesetzt werden können.
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Näher erläutert wird
die Erfindung anhand der Zeichnungen.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Universallager
schematisch;
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2a zeigt
ein einfaches Viergelenk schematisch; (Stand der Technik)
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2b zeigt
ein gekreuztes Viergelenk schematisch; (Stand der Technik)
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3 zeigt
ein gekreuztes Viergelenk-Lager des Beispiels der 1 schematisch
in Ansicht senkrecht zu 1;
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4 zeigt
ein gekreuztes Viergelenk mit gekrümmten Balken schematisch.
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Das
beispielhafte Universalgelenk der 1 ist um
den Drehpunkt 0 und die zur Zeichenebene senkrechte Drehachse 1 aufgebaut.
In der Zeichenebene liegen dazu und untereinander senkrecht die Drehachsen 2 und 3.
Alle Drehachsen schneiden sich im Drehpunkt 0.
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Zur
Drehachse 1 symmetrisch liegt der kreiszylindrische Freiraum 100.
Praktisch erforderliche Abweichungen von der Symmetrie sind hier
möglich. In
diesem Freiraum 100 ist es zum Beispiel vorgesehen, ein
astronomisches Teleskop, eine Erderkundungskamera, oder eine Luftbildmeßkammer,
aber auch eine Laserstrahlquelle, unterzubringen. Der Gestellrahmen 40 ist
dann entweder direkt oder über eine
Grobpositionier- oder Grobstabilisiereinrichtung in einem Satelliten,
einem Flugzeug, einem anderen Fahrzeug oder ortsfest untergebracht.
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Der
Freiraum 100 wird vom Ring 120 umfaßt. Dieser
ist zugleich ein Balken des einfachen Viergelenks 11.
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Das
Viergelenk 11 besteht aus den Federgelenken 101, 102, 103, 104 – jeweils
eine Blattfeder – und
den Balken 110, 120, 130, 140.
Es ist spiegelsymmetrisch zu der von den Drehachsen 1 und 2 aufgespannten
Ebene. Der Balken 140 ist als den Ring 120 umfassender
Zwischenring ausgeführt.
Im Bereich der Gelenke 101 und 104 weist er Auskragungen
auf, die es ermöglichen,
daß die
Balken 110 und 130 möglichst lang werden, da dies
die Führungsgenauigkeit
des Viergelenks 11 erhöht.
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Das
Viergelenk 11 ermöglicht
eine präzise Rotation
um die virtuelle Drehachse 1 um einzelne (unter zehn) Grad,
ohne störende
Auswanderung der Drehachse 1. Dabei ist jedoch der Radius
R0 des Freiraums 100 mehr als halb
so groß wie
der Abstand Rmax, im Beispiel ist R0 : Rmax = 0,8. Je
nach konstruktiver Ausbildung der Federgelenke 101 bis 104,
insbesondere der Federbefestigung, und der Ringe 120, 140,
sowie nach absoluter Größe der Anordnung
und ihrer Belastung und Präzision
kann dieses Verhältnis auch
erheblich gesteigert werden.
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Die
Auskragungen werden in der Regel so ausgeführt, daß der größte Durchmesser des Lagers ausgenutzt
wird. Dann sind die Abstände
der weiteren Federgelenke, z.B. 211, 212, 213, 214,
in den anderen Viergelenken 21, 22, 31, 32 zum
Drehpunkt 0 kleiner als Rmax.
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Um
ein Verkippen gegenüber
der Zeichenebene zu unterbinden, wird das Viergelenk 11 entweder
mit großer
Führungslänge der
Federgelenke 101, 102, 103, 104 in
Richtung der Drehachse 1 ausgebildet, oder es wird axial
versetzt doppelt hintereinander angeordnet, wobei die Balken 110, 120, 130, 140 gemeinsam
sein können.
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Der
Zwischenring 140 ist über
zwei oben und unten angeordnete gekreuzte Viergelenke 21, 22 um die
Drehachse 2 drehbar mit dem zweiten Zwischenring 30 verbunden.
Die Schraffuren am zweiten Zwischenring 30 im Bereich der
Viergelenke 21 und 22 deuten an, daß er hier
durch aus der Zeichenebene ragende Bügel zu einer starren Einheit
verbunden ist. Rückseitige
Bügel können das
weiter stabilisieren.
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Der
zweite Zwischenring 30 ist durch zwei gleichartige, rechts
und links parallel angeordnete gekreuzte Viergelenke 31, 32 um
die dritte Drehachse 3 drehbar im Gestellrahmen 40 gelagert,
so daß insgesamt
ein Universalgelenk für
beliebige Drehungen des Rings 120 um den Drehpunkt 0 im
Gestellrahmen 40 entsteht, mit Beschränkung der Drehwinkel um die
einzelnen Achsen 1, 2, 3 auf jeweils
wenige (bis zu etwa zehn) Grad.
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Die
an sich vorbekannte Darstellung eines einfachen Viergelenks der 2a dient
der Verdeutlichung des Aufbaus des ersten Viergelenks 11 der 1.
Die Bezugszeichen funktionell gleicher Teile unterscheiden sich
nur um den Strich '.
Die Ringe 120 und 140 der 1 substituieren
also die einfachen Balken 120' und 140'.
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Die
ebenfalls vorbekannte 2b zeigt prinzipiell ein gekreuztes
Viergelenk, wie es in 3 als Beispiel für die Viergelenke 21, 22, 31, 32 der 1 näher dargestellt
ist, und wie es in 4 in einer zur Substitution
des Viergelenks 11 geeigneten Form angegeben ist.
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Die
Verbindungslinien der Gelenke 211' und 213' bzw. 212' und 214' schneiden sich in der Drehachse 2'. Die virtuelle
Drehachse 2' wird
also von den geraden Balken 210' und 220' geschnitten. Natürlich müssen die
Balken 210' und 220' senkrecht zur
Zeichenebene gekröpft
sein, damit sie sich im Bereich der Drehachse 2' nicht berühren. Das
gekreuzte Viergelenk ist grundsätzlich
präziser
als das einfache Viergelenk nach 2a, da
die Auswanderung der virtuellen Drehachse 2' kleiner ist.
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Für die Viergelenke 21, 22, 31, 32 der 1 werden
daher solche gekreuzten Viergelenke in der Ausführung nach 3 vorgesehen.
Beispielhaft für die
gleich ausgeführten
vier Exemplare ist das Viergelenk 21 dargestellt. An die
Stelle der Balken 230 und 240 der Grundform nach 2b treten
die Zwischenringe 30 und 140. Die gekreuzten Balken 210 und 220 sind
symmetrisch angeordnete gekröpfte Formteile.
Die Federgelenke 211, 212, 213, 214 bestehen
aus senkrecht zur Zeichenebene stehenden Blattfedern, die an den
Balken 210 und 220 und den Zwischenringen 30 und 140 festgeklemmt
sind.
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In
der 1 sind jeweils die zwei einer Drehachse 2, 3 zugeordneten
Viergelenke 21, 22, bzw. 31, 32 symmetrisch
zu der von den beiden anderen Drehachsen 1, 3,
bzw. 1, 2 aufgespannten Ebene angeordnet. Sie
können
aber auch gegeneinander um die jeweilige Drehachse 2 bzw. 3 verdreht
eingebaut werden. Werden sie beispielsweise um 180° verdreht,
also punktsymmetrisch zum Drehpunkt 0, angeordnet, so wird
ein Parallelversatz der Drehachse durch Führungsfehler der Viergelenke 21, 22,
bzw. 31, 32 vermieden und durch eine Schwenkung
ersetzt, die durch Korrektur der Winkellage in den anderen Achsen
ausgeglichen werden kann.
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4 zeigt
eine Prinzipskizze eines gekreuzten Viergelenks 41, bei
dem die virtuelle Drehachse 4 nicht von Lagerteilen berührt wird.
Dazu sind die Gelenke 401 und 403, bzw. 402 und 404 nicht durch
sich in der Drehachse kreuzende gerade Balken, sondern durch Bögen 430 bzw. 440 verbunden. Das
Gestell 420 bildet einen Querbalken, der andere wird durch
den Ring 410 substituiert.
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Im
Ring 410 gibt es einen zur Drehachse 4 symmetrischen
kreiszylindrischen Freiraum 40, dessen Radius R40 leicht größer als 80% vom Abstand R404 des innersten Drehgelenks 404 (das
Drehgelenk 401 liegt im gleichen Abstand) von der Drehachse 4 aus geführt werden
kann. In der 4 ist R40 :
R404 = 0,8. Auch die Relation des Freiraums 40 zu
den Gesamtabmessungen des Viergelenks 41 kann gegenüber der
vorliegenden Prinzipdarstellung leicht verbessert werden. Dem Prinzipcharakter
der 4 entsprechend, sind hier auch nicht die Federn
der Gelenke 401, 402, 403, 404 explizit
dargestellt.
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Ein
gekreuztes Viergelenk nach dem Prinzip der 4 kann im
Beispiel der 1 das erste Viergelenk 11 substituieren.
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In
der Feinwerktechnik und im Maschinenbau allgemein bekannt sind die
geeigneten Werkstoffe, Bearbeitungs- und Montagemethoden sowie die Konstruktionsmethoden
zur Erreichung geforderter Tragfähigkeit,
Stabilität,
Beweglichkeit und Führungsgenauigkeit
genauso allgemein bekannt, wie die Möglichkeiten zum Anbringen von
Antriebseinheiten, besonders von Torque-Motoren, zum Drehen um die
Drehachsen 1, 2, 3, sowie von Bremsen,
auch mit den Motoren zu Bremsmotoren vereinigt, und von Drehgebern
zum Erfassen der Position.