DE19700089C2 - Vorrichtung zur Messung der tribologischen Eigenschaften von Gelenkkugeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der tribologischen Eigenschaften von Gelenkkugeln, mit mindestens einem Gegenkörper mit konkaver Stirnfläche, der an mindestens zwei Stellen gegen die Gelenkkugel gepreßt wird, mit einem Gestell zum Halten von Gelenkkugel und Gegenkörper, wobei die Gelenkkugel und der Gegenkörper relativ zueinander Rotationsbewegungen ausführen.

Eine solche Vorrichtung ist als Hüftgelenksimulator aus Medizinal-Markt/Acta Medicotechnica, 26. Jg:, Nr. 10/1978, Seiten 317-320, bekannt. Hüftgelenksimulatoren werden auch beschrieben in Z. Orthop. 116 (1978) 294-303, insbes. Seite 295, Spalte 2, in der DE-AS 24 18 956, in DIN 58800, Teil 3, Entwurf von 1971, Seite 1, 4 und 5 und Biomed. Tech., Bd. 35, Heft 5 (1990), Seiten 107, 108.

Weiterhin sind folgende Methoden zur Messung tribologischer Eigenschaften von Probekörpern bekannt:

• - Stift-Scheibe-Anordnung (pin-on-disc), bekannt aus Z. Orthop. 116 (1978) 294-303, insbes. Seite 295, Spalte 1.
• - Ring-Scheibe-Anordnung (ring-on-disc), bekannt aus Z. Orthop. 116 (1978) 294-303, insbes. Seite 295, Spalte 1.
• - 2-Scheiben-Anordnung aus Materialprüfung 17 (1975), Nr. 10, Seite 360, Fig. 3c.
• - 4-Kugel-Anordnung aus Materialprüfung 17 (1975), Nr. 10, Seite 360, Fig. 3d.

Dabei wird insbesondere in DIN 58800, Teil 3; Entwurf von 1971, Seite 1, 4 und 5 und in Medizinalmarkt/Acta Medicotechnica, 26. Jg., Nr. 10/1978, Seite 318, dargestellt, daß Körper und Gegenkörper zueinander Rotationsbewegungen ausführen.

Kugelgelenke findet man in 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 eine Achse oszillierende Bewegungen. Die Gelenkbelastung 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 Schmierfilms 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 heute gängige Verschleiß­ prüfanordnungen zur tribologischen Charakterisierung und Überprüfung der Eigung von Gelenkmaterialien (pin-on-disc, ring-on-disc) 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.

Ausgehend von der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie einen weniger hohen finanziellen und technischen Aufwand erfordert und das tribologische Wirksystem möglichst wenig verfälscht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Einfachheit der einachsigen Modellprüfapparaturen in Funktion und Aufwand besitzt, dabei aber die Messung originaler Gelenkkugeln gestattet. Außerdem ist es möglich, die kugelförmigen Gelenkköpfe lokal zu untersuchen und so bei geringen Bewegungs­ amplituden mehrere unabhängige Messungen ohne Überdeckungen der Kontaktflächen durchzuführen.

Zusätzlich erlaubt diese Vorrichtung mit einfachen Mitteln die Ermittlung der äquatorialen Reibmomente an den zu untersuchenden 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 Vorrichtung;

Diese Vorrichtung 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 und so auf einer vertikal verschieb­ baren und oszillierend angetriebenen Achse (7) 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 Polyethylenhüftgelenkpfanne) 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, Schwenkamplituden und Phasenverschiebung eine Anpassung der Kinematik an die physiologischen Gegebenheiten einer implantierten Prothese. Die Kugel/Stiftpaarung ist hier zur Schmierung des zu untersuchenden Gleitsystems in einem fest mit dem Gesamtstativ verschraubten Plexiglasbehälter angeordnet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der tribologischen Eigenschaften von Gelenkkugeln, mit mindestens einem Gegenkörper mit konkaver Stirnfläche, der an mindestens zwei Stellen gegen die Gelenkkugel gepreßt wird, mit einem Gestell zum Halten von Gelenkkugel und Gegenkörper, wobei die Gelenkkugel und der Gegenkörper relativ zueinander Rotations­ bewegungen ausführen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar Stifte (3) mit jeweils konkaver Stirnfläche radial gegeneinander auf die Gelenkkugel (1) gepreßt wird, daß die Stifte (3), sich mit Hilfe des Gestells aneinander abstützen, und die Stifte und die Gelenkkugel (1) zueinander Rotationsbewegungen um mindestens zwei orthogonale Achsen vollführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stifte aus originalen Lagerschalen herausgearbeitet werden und so deren spezifische Oberflächenstruktur besitzen.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte unter Anwendung des Fertigungsprozesses zur Herstellung der originalen Lagerschalen her gestellt werden und so deren spezifische Oberflächenstruktur besitzen.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkkugel (1) und die Stifte (3) in einem abgedichteten Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen zwischen Stiften (3) und der Gelenkkugel (1) in einer offenen Anordnung mit Schmierflüssigkeit benetzt werden.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktkraft zwischen Stiften (3) und der Gelenkkugel (1) dynamisch aufgebracht wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die orthogonalen Komponenten der Relativbewegung zwischen Stiften (3) und Gelenkkugel (1) gekoppelt sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die orthogonalen Komponenten der Relativbewegung zwischen Stiften (3) und Gelenkkugel (1) nicht gekoppelt sind.