DE19700089A1 - Prüfapparatur zur tribologischen Prüfung von Kugelgelenken - Google Patents

Prüfapparatur zur tribologischen Prüfung von Kugelgelenken

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Description

Kugelgelenke findet man an den Achsaufhängungen oder Lenkungskomponenten von Kraftfahrzeugen oder auch als künstliches Hüftgelenk in der Medizintechnik.
Kugelgelenke werden in der Technik überall dort eingesetzt, wo mehrachsige Rotationsbewegungen von Mechanismen ausgeführt werden oder entsprechende Relativbewegungen ausgeglichen werden sollen. Die Gelenkkomponenten vollführen dabei um mindestens ein Achse oszillierende Bewegungen. Die Gelenk­ belastung hat dabei ebenfalls eine schwellende oder gar wechselnde Charakteristik.
Es ist bekannt, daß Kugelgelenke überwiegend langsamlaufende Baukomponenten sind und als solche den Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilmes im Gelenkspalt erschweren.
Es ist weiterhin bekannt, daß durch die überwiegend oszillierende Bewegung, die durch Phasen der Richtungsumkehr gekennzeichnet ist, adhäsiver Verschleiß oder eine durch Adhäsion der Gelenkpartner hervorgerufene Funktionsbeeinträchtigung ausgelöst wird.
Es ist weiterhin bekannt, daß durch heute gängige Verschleißprüfanordnungen zur tribologischen Charak­ terisierung und Überprüfung der Eignung von Gelenk­ materialien (pin-on-disk, ring-on-disk) das komplexe Tribosystem entscheidend verändert wird (Bewegungskollektiv, Geometrie der Prüfkörper).
Es ist weiterhin bekannt, daß Fertigungsverfahren, speziell im Bereich der Oberflächenbehandlung (z. B. Polieren oder Beschichten) eine stark von der Geometrie des Bauteiles abhängige Struktur und damit auch tribologische Eigenschaften hervorrufen.
Die Ergebnisse eines Modellprüfstandes mit geänderter Geometrie sind nur sehr bedingt auf die Einbausituation übertragbar.
Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bisherige Verschleiß­ prüfverfahren für Kugelgelenke die Zerstörung eines kompletten Gelenkes bei einem Versuchsdurchlauf zur Folge haben. Zusätzlich erfordern mehrachsige Gelenksimulatoren einen hohen finanziellen und technischen Aufwand.
Bereits bestehende Modellprüfstände simplifizieren unter anderem die Geometrie und die Bewegungsform und verfälschen so entscheidend das tribologische Wirksystem.
Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin daß die erfindungsgemäße Prüfapparatur die Einfach­ heit der einachsigen Modellprüfapparaturen in Funktion und Aufwand besitzt, dabei aber die Prüfung originaler Bauteile unter mehrachsiger Bewegung gestattet.
Außerdem ist es möglich, die kugelförmigen Gelenkköpfe lokal zu prüfen und so bei geringen Bewegungs­ amplituden mehrere unabhängige Prüfungen ohne Überdeckung der Prüfkontaktflächen durchzuführen.
Zusätzlich erlaubt diese Prüfanordnung mit einfachen Mitteln die Ermittlung der äquatorialen Reibmomente an den zu prüfenden Kugelgelenken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Prüfapparatur.
Diese Prüfvorrichtung zur Verschleißtestung von Gleitpaarungen für den Gelenkersatz in der humanen Orthopädie besteht aus einer zu testenden Hüftkugel (1) die auf einen Adapter mit Konussitz (2) gesteckt ist und so auf einer vertikal verschiebbaren (7) und oszillierend angetriebenen Achse (8) fixiert ist. Über ein Rollensystem und ein Gegengewicht (12) wird die vertikale Achse (8), die über ein Kurbelgetriebe mit dem Motor (9) verbunden ist, in einer Gleichgewichtslage gehalten. Zusammen mit dem in der Achse angeordneten Kreuzgelenk (6) wird so eine Selbstzentrierung der Prüfkörper ohne äußere Zwangskräfte erreicht. Eine horizontal und in dem Gesamtstativ (13) schwenkend angeordnete, geschlossene Rahmenkonstruktion (4) führt zwei Stifte (3), die aus dem zur Kugel (1) passenden Gleitpartner (hier eine Polyethylenhüftpfanne) hergestellt sind. Mittels einer Feder (5) werden die Stifte radial gegeneinander mit einstellbarer Kontaktkraft auf die Kugel (1) gepreßt. Über einen zweiten Kurbelmechanismus (10) und einen zweiten Motor (11) wird der gesamte Lastrahmen (4) samt Spannmechanismus und Stiften oszillierend angetrieben.
Die beiden unabhängigen Motoren ermöglichen durch die Einstellung von Geschwindigkeiten, Schwenk­ amplituden und Phasenverschiebung eine Anpassung der Prüfkinematik an die physiologischen Gegeben­ heiten einer implantierten Prothese. Die Kugel/Stiftpaarung ist hier zur Schmierung des zu prüfenden Gleitsystems in einem fest mit dem Gesamtstativ (13) verschraubten Plexiglasbehälter angeordnet.

Claims (9)

1. Prüfapparatur zur tribologischen Prüfung von Kugel­ gelenken, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar Stifte (1) mit jeweils konkaver Stirnfläche radial gegeneinander auf den kugelförmigen Teil des Gelenkes (2) gepreßt wird, derart, daß die Stifte (1), die sich aneinander abstützen, und der kugelförmige Teil des Gelenkes (2) zueinander Rotationsbewegungen um mindestens zwei orthogonale Achsen vollführen.
2. Prüfapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte aus originalen Lagerschalen herausgearbeitet werden und so deren spezifische Oberflächenstruktur besitzen.
3. Prüfapparatur einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte unter Anwendung des Fertigungsprozesses zur Herstellung der originalen Lagerschalen hergestellt werden und so deren spezifische Oberflächenstruktur besitzen.
4. Prüfapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Teil des Gelenkes (1) und die Stifte (2) in einem abgedichteten Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind.
5. Prüfapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen zwischen Stiften (2) und kugelförmigem Teil (1) in einer offenen Anordnung mit Schmier­ flüssigkeit benetzt werden.
6. Prüfapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktkraft zwischen Stiften (2) und kugelförmigem Teil (1) dynamisch aufgebracht wird.
7. Prüfapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die orthogonalen Komponenten der Relativbewegung zwischen Stiften (2) und kugelförmigem Teil (1) gekoppelt sind.
8. Prüfapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die orthogonalen Komponenten der Relativbewegung zwischen Stiften (2) und kugelförmigem Teil (1) zufällig verteilt sind.
9. Prüfapparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen zwischen Stiften (2) und kugelförmigem Teil (1) in einer offenen Anordnung mit einer Emulsion aus Schmierflüssigkeit und Abrasivpartikeln benetzt werden.
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