DE202005005513U1

DE202005005513U1 - Rastvorrichtung und Drehmomentbegrenzer

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Publication number: DE202005005513U1
Application number: DE202005005513U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2015-04-08

Abstract

Rastvorrichtung (R) zum Begrenzen einer zwischen relativ zueinander beweglichen, zueinander zumindest im Wesentlichen parallele Flächen aufweisenden Maschinenelementen (E1, E2) übertragenen Kraft, wobei an den Flächen (9, 10) Eingriffs- und Gegeneingriffs-Strukturen vorgesehen sind, die gegenseitig durch eine annähernd senkrecht zu den Flächen wirkende, nachgiebige Anpressung in formschlüssigem Eingriff haltbar und bei Erreichen der Kraftgrenze gegen die Anpressung aus dem Eingriff lösbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffs- und Gegeneingriffsstrukturen von beiden Flächen (9, 10) vorstehende, konkave Körper (K1, K2) sind, die von kugeligen, zylindrischen, kegeligen oder kegelstumpfförmigen Flächen (F) begrenzt und in Paarungen kugelig/kugelig oder kugelig/zylindrisch oder kugelig/kegelig oder zylindrisch/zylindrisch oder kegelig/kegelig oder kegelig/kegelstumpfförmig oder kegelstumpfförmig/kegelstumpfförmig in in der relativen Bewegungsrichtung (16) zwischen den Maschinenelementen orientierten Reihen (S1, S2, S3) angeordnet sind und einander ausschließlich in Punkten oder in Linien kontaktieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rastvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Drehmomentbegrenzer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 17.
Rastvorrichtungen zur Begrenzung einer übertragenen Kraft oder eines Drehmoments sind auf verschiedenen Gebieten der Technik bekannt. Beispielsweise ist im Antriebsstrang eines zur Drehung angetriebenen medizinischen Bohr- oder Fräswerkzeugs ein Drehmomentbegrenzer als Schutz der Vorrichtung, der teuren Werkzeuge und/oder für die Patienten enthalten, der mit einer federbeaufschlagten Rastvorrichtung arbeitet. In der Rastvorrichtung sind beispielsweise in Richtung der Anpressung federbeaufschlagte Kugeln vorgesehen, die in kugelige oder genutete Gegenaufnahmen eingreifen und bei Erreichen der Kraft- oder Drehmomentgrenze gegen die Federkraft ausrasten. Ferner sind Rastvorrichtungen bekannt, deren Eingriffs- und Gegeneingriffselemente nach Art von Zähnen wie denen eines Zahnrades oder Sägezähnen od. dgl. ausgebildet sind. Obwohl in den bekannten Rastvorrichtungen hochwertige, gehärtete oder sehr harte Materialien verwendet werden, tritt bereits nach kurzer Zeit bzw. nach wenigen Auslösevorgängen ein unzweckmäßiger Verschleiß entweder an den Eingriffs- und Gegeneingriffsstrukturen oder den diese aufweisenden Flächen auf, durch den sich die eingestellte Kraft- oder Drehmomentgrenze in der einen oder anderen Richtung verstellt wird. In Anwendungsfällen, bei denen es auf eine genaue Einhaltung der eingestellten Kraft- oder Drehmomentgrenze ankommt, bedingt dies häufige Reparaturen und Wartungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rastvorrichtung und einen Drehmomentbegrenzer anzugeben, die sich durch eine präzise einstellbare und dauerhaft haltbare Kraft- oder Drehmomentgrenze und ein verschleißarmes Arbeiten auszeichnen.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 17 gelöst.
Überraschend zeigen Rastvorrichtungen bzw. Drehmomentbegrenzer mit Paarungen von Körpern, deren Flächen rotationssymmetrisch sind, und die gegenseitig konkav auf konkav nur in Punktkontakt oder Linienkontakt stehen, dass nicht nur die Kraft- oder Drehmomentgrenze außerordentlich präzise eingestellt werden kann, sondern nach dem Auslösen kein spürbarer Verschleiß auftritt, so dass sich die eingestellte Kraft- oder Drehmomentgrenze nicht unkontrolliert verstellt. Dies ermöglicht es, die Rastvorrichtung sehr präzise zu einer sehr hohen Grenze einzustellen, weil sichergestellt ist, dass über lange Standzeiten keine Schäden an den mit der Rastvorrichtung arbeitenden Vorrichtungen oder deren Werkzeugen oder an Werkstücken oder Patienten auftreten. Der Grund für das vorteilhafte Arbeiten der Rastvorrichtung mit den rotationssymmetrischen und konkav auf konkav zusammenwirkenden Flächen liegt vermutlich darin, dass diese Flächen außerordentlich präzise, hart und verschleißarm nach modernen Fertigungstechniken ausgebildet werden können, außerordentlich gleichförmige Eingriffsverhältnisse im Eingriffszustand und auch beim Auslösen gegeben sind, und die Bewegungen beim Auslösen und neuerlichen Eingreifen außerordentlich harmonisch ablaufen. Ferner ergeben sich aus der geometrischen Form der Flächen der Körper beim vollen Eingriff die steilsten Eingriffswinkel, die mit dem Beginn eines Auslösevorgangs oder eines Auslöseversuchs sehr harmonisch flacher werden und in ausgelöstem Zustand sehr flach bleiben bzw. nahezu null Grad betragen können, falls die Körper im ausgerückten Zustand einander nur mehr an ihren Kuppen berühren.
Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:
1 einen Drehmomentbegrenzer mit einer erfindungsgemäßen Rast-Vorrichtung als ein nicht beschränkendes Beispiel für die Einsatzmöglichkeiten der Rastvorrichtung,
2 eine Eingriffspaarung zwischen Vollkugeln und Halbkugeln in übereinanderliegenden kreisförmigen Reihen,
3 eine Paarung mit Halbkugeln in übereinanderliegenden kreisförmigen Reihen,
4 schematisch die Paarung Vollkugeln/Vollkugeln in jeweils einer Reihe,
5 die Paarung Vollkugeln/Vollkugeln mit einer Reihe in der Mitte zwischen zwei Reihen,
6 die Paarung Zylinder/Zylinder,
7 die Paarung Halbzylinder/Halbzylinder,
8 eine kreisförmige Reihe von Kegeln oder Kegelstümpfen, z.B. zur Zusammenarbeit mit einer oder zwei Kugelreihen,
9 die Paarung Kegelstumpf/Kegelstumpf, und
10 die Paarung Teilkegelstumpf/Teilkegelstumpf.
Ein in 1 gezeigter Drehmomentbegrenzer ist als Drehkupplung mit zwei bei dieser Ausführungsform scheibenförmigen Maschinenelementen E1, E2, d.h. den Scheiben 1, 2 ausgebildet, deren jede an einer Welle 3, 4 fest angebracht ist. Die Wellen 3, 4 sind beispielsweise in Lagern 5, 6 drehbar gelagert, wobei die Welle 4 in Richtung der Achse X verschiebbar ist. Zwischen der Drehlagerung 6 und der Scheibe 2 ist eine eine nachgiebige Anpressung der Scheibe 2 gegen die Scheibe 1 erzeugende Feder 7 vorgesehen. Zwischen den Scheiben 1, 2 ist eine Rastvorrichtung R wirksam. Die Scheibe 1 ist in Richtung des Pfeils 5 drehangetrieben. Die Scheibe 2 wird über die Rastvorrichtung R geschleppt, bis die Rastvorrichtung R bei Erreichen der Kraft- oder Drehmomentgrenze auslöst, so dass die Welle 4 stehen bleibt oder nur mehr mit einem geringen Drehmoment beaufschlagt ist.
In der Rastvorrichtung R sind an zueinander weisenden, zumindest im Wesentlichen zueinander parallelen Flächen 9, 10 der Scheiben 1, 2 Eingriffs- und Gegeneingriffsstrukturen in Form von Körpern K1, K2 vorgesehen, deren Begrenzungsfläche F rotationssymmetrisch ist und konkav gegenüber der jeweiligen Fläche 9 bzw. 10 vorsteht. Die Begrenzungsflächen F sind so ausgebildet bzw. die Körper K1, K2 sind jeweils so angeordnet, dass im in 1 gezeigten Eingriffszustand die Körper K1, K2 auf Lücke ineinandergreifen und unter der Anpressung der Feder 7 gegenseitig einen steilen Eingriffswinkel bilden (definiert durch den Winkel zwischen den in der Tangente in der Kontaktstelle und der Drehungsebene). Der Eingriffswinkel ist kleiner als 90° relativ zu den Flächen 9, 10. Steigt, beispielsweise aufgrund einer Hemmung der Welle 4, die zu übertragende Kraft oder das Drehmoment bis zur eingestellten Grenze an, dann gleiten die Begrenzungsflächen F aneinander auf, wobei der Eingriffswinkel allmählich abnimmt, bis schließlich nur mehr die Gipfel einander berühren und der Eingriffswinkel praktisch zu Null wird.
Die Körper K1, K2 können fest an oder in den Flächen 9, 10 angeordnet sein, oder wie bei 11 mit dem Pfeil angedeutet, um ihre Rotationsachse drehbar gelagert sein. Beim Auslösen wird zwischen den Begrenzungsflächen F eine Kraft in Richtung des Pfeils 8 und gegen die Feder 7 entwickelt, so dass die Scheibe 2 von der Scheibe 1 weggedrückt wird.
Die in 1 schematisch angedeuteten Körper K1, K2 können verschiedene geometrische Formen haben und aus unterschiedlichen Materialen bestehen, sowie entweder separat gefertigt und in die Flächen 9 eingesetzt oder direkt einstückig an diesen ausgebildet sein. in 2 liegt eine Paarung Vollkugeln 12 als die Körper K1 und Halbkugeln 13 als die Körper K2 vor, wobei die Kugeln in direkt übereinander liegenden, kreisförmigen Reihen und darin unmittelbar aneinander anschließend angeordnet sind. Es wäre denkbar, zwischen den Halbkugeln bzw. Kugeln 12, 13 in Umfangsrichtung Zwischenabstände vorzusehen. Die oberen, untereinander gleich großen Kugeln können gleich groß wie die unteren, untereinander gleich großen Kugeln sein. Es ist aber möglich, oben oder unten unterschiedlich große Kugeln zu verwenden, wobei dann die kleineren Kugeln mit Zwischenabständen angeordnet werden müssten. Es soll jedoch in jedem Fall ausgeschlossen werden, dass die Kugeln oder Halbkugeln die Fläche 10 oder die Fläche 9 berühren.
In 3 ist eine Paarung Halbkugeln/Halbkugeln mit den Halbkugeln 13 gezeigt, und zwar in konzentrischen kreisförmigen Reihen mit gleichen Durchmessern.
4 verdeutlicht Vollkugeln als die Körper K1, K2, die in direkt übereinanderliegenden Reihen S1, S2 ohne nennenswerte Zwischenabstände angeordnet sind. Diese Reihen S1, S2 könnten beispielsweise zwischen linear und parallel zueinander beweglichen Maschinenelementen in der Rastvorrichtung vorgesehen sein, in Abkehr von dem Prinzip der rotierenden Maschinenelemente E1, E2 in 1. Ferner wäre es möglich, bogenförmig relativ zueinander verstellbare Maschinenelemente über Reihen solcher Körper K1, K2 zu kuppeln.
In 5 sind zwei untere, nebeneinander liegende Reihen S2, S3 aus Vollkugeln als die Körper K2 vorgesehen, die mit einer einzigen und darüber in der Mitte angeordnete Reihe S1 ebenfalls beispielsweise aus Vollkugeln als die Körper K1 zusammenwirken. In der gezeigten Eingriffsstellung hat jeder Körper K1 beispielsweise vier Kontaktpunkte mit vier Körpern K2 in den unteren. Reihen S2, S3. Die Anzahl der Reihen und deren Versetzungen in Relation zueinander könnten beliebig erweitert oder umgestaltet sein. Natürlich können anstelle der Vollkugeln auch Halbkugeln oder nur Kugelabschnitte verwendet werden. In 2 und 3 könnten die Durchmesser der Reihen oben und unten auch voneinander variieren.
5 ist die Paarung Zylinderfläche-Zylinderfläche für die Körper K1, K2 gezeigt, die in der linearen Bewegungsrichtung 16 der nicht gezeigten Maschinenelemente in direkt übereinanderliegenden Reihen angeordnet und zueinander parallel sind, wobei die Zylinderachsen 15 senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung 16 orientiert sein sollten. Die Körper K1, K2 können massiv oder hohl ausgebildet sein (bei 18 gestrichelt angedeutet), und könnten durchgehend aus homogenem Material bestehen oder nur in den Oberflächenbereichen speziell verschleißfestes und widerstandsfähiges Material aufweisen. Die Körper K1, K2 sind hier als Zylinder 14 gezeigt, deren Länge erheblich größer ist als ihr Durchmesser.
In 7 ist die Paarung halbzylindrisch/habzylindrisch für die Körper K1, K2 gezeigt, d.h. es sind Halbzylinder 17 aufeinandergelegt. Die Teilungsart der Zylinder muss nicht notwendigerweise zu einer halbzylindrischen Form führen, sondern es kann jede Teile zweckmäßig in etwa parallel zur Zylinderachse durchgeführt sein, so dass auch kleinere oder größere Zylinderteile vorgesehen sein könnten als gezeigt. Die Anordnung der Zylinderflächen in 7 ist zweckmäßig als Rastvorrichtung für Maschinenelemente, die linear (Bewegungsrichtung 16) relativ zueinander bewegt werden.
8 zeigt eine Reihe direkt aneinander liegender Körper K2, die als Kegelstümpfe 19 (oder Vollkegel, gestrichelt bei 20 angedeutet) ausgebildet sind, wobei die virtuellen oder tatsächlichen Kegelspitzen 21 alle zur selben Seite weisen. Die Körper K2 bilden hier eine kreisbogenförmige Reihe, die beispielsweise mit den Kugeln oder Teilkugeln der 2 bis 5 (einreihig oder mehrreihig) gepaart werden könnten. Bei mehreren Kugelreihen können die Kugeldurchmesser entsprechend dem zunehmenden Kegeldurchmesser von einer Reihe zur nächsten zunehmen oder abnehmen Zweckmäßig werden die Kegelstumpfflächen oder kegeligen Flächen der Körper K2 jedoch mit kegeligen oder kegelstumpfflächigen Flächen der Körper K1 gepaart, wie dies in 9 angedeutet ist. Dabei werden die Körper K1 mit ihren Kegelspitzen 21 umgekehrt angeordnet wie die Körper K2.
10 verdeutlicht schließlich ein Prinzip ähnlich dem von 9 mit Teilkegelstümpfen 22 als die Körper K1, K2, wobei auch hier die Kegelspitzen 21 in der oberen Reihe umgekehrt positioniert sind wie die Kegelspitzen 21 in der unteren Reihe.
Während in den Ausführungsformen 2 bis 5 ausschließlich Punktkontakte zwischen den Körpern K1, K2 vorliegen, entstehen in den Ausführungsformen der 6 bis 10 Linienberührungen entlang der Erzeugenden der kegeligen oder zylindrischen oder teilzylindrischen oder teilkegeligen Begrenzungsflächen.
Die Körper K1, K2 jeder Reihe können gegebenenfalls fest miteinander verbunden oder auch separiert angeordnet sein.
Auch die zylindrischen oder teilzylindrischen bzw. kegeligen oder kegelstumpfförmigen Körper K1, K2 sind entweder drehfest an oder in der jeweiligen Fläche 9, 10 angebracht, oder um ihre jeweilige Kegel- oder Zylinderachse drehbar gelagert.
Die Körper K1 können in einem Stück gegossen, gespritzt oder maschinell hergestellt werden. Als Materialien eignen Stahl, Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Gummi, besonders Keramik, Mineralien und Hartmetalle oder auf Kohlenstoff basierende Formkörper mit Siliziumcarbid zumindest im Oberflächenbereich.
Besonders zweckmäßig werden handelsübliche, gehärtete und polierte Stahlkugeln in die Flächen eingesetzt, oder aus keramischem Material bestehende Kugeln. Die Anpressung kann auf die Maschinenelemente einwirken, oder nur auf die die Körper tragenden Flächen oder auch gegebenenfalls auf die Körper selbst. Die Körper können massiv oder hohl sein.

Claims

Rastvorrichtung (R) zum Begrenzen einer zwischen relativ zueinander beweglichen, zueinander zumindest im Wesentlichen parallele Flächen aufweisenden Maschinenelementen (E1, E2) übertragenen Kraft, wobei an den Flächen (9, 10) Eingriffs- und Gegeneingriffs-Strukturen vorgesehen sind, die gegenseitig durch eine annähernd senkrecht zu den Flächen wirkende, nachgiebige Anpressung in formschlüssigem Eingriff haltbar und bei Erreichen der Kraftgrenze gegen die Anpressung aus dem Eingriff lösbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffs- und Gegeneingriffsstrukturen von beiden Flächen (9, 10) vorstehende, konkave Körper (K1, K2) sind, die von kugeligen, zylindrischen, kegeligen oder kegelstumpfförmigen Flächen (F) begrenzt und in Paarungen kugelig/kugelig oder kugelig/zylindrisch oder kugelig/kegelig oder zylindrisch/zylindrisch oder kegelig/kegelig oder kegelig/kegelstumpfförmig oder kegelstumpfförmig/kegelstumpfförmig in in der relativen Bewegungsrichtung (16) zwischen den Maschinenelementen orientierten Reihen (S1, S2, S3) angeordnet sind und einander ausschließlich in Punkten oder in Linien kontaktieren.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen von zylindrischen, kegeligen oder kegelstumpfförmigen Flächen zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der relativen Bewegungsrichtung (16) zwischen en Maschinenelementen (E1, E2) sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (K1, K2) massive oder hohle, volle oder geteilte Kugeln, Zylinder, Kegel oder Kegelstümpfe sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der untereinander gleich großen Körper (K1) am einen Maschinenelement (E1) gleich oder verschieden von der Größe der untereinander gleich großen Körper (K2) am anderen Maschinenelement (E2) ist.
Rastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geteilten Kugeln Halbkugeln (13) oder Kugelabschnitte sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geteilten Zylinder Kegel oder Kegelstümpfe zumindest im Wesentlichen parallel zu ihren Achsen geteilt sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (K1, K2), insbesondere mit den kugeligen Begrenzungsflächen (F), ein- oder mehrreihig und in übereinanderliegenden oder quer zur relativen Bewegungsrichtung zwischen den Maschinenelementen versetzten Reihen (S1, S2, S3) angeordnet sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingriffszustand zwischen jedem Körper (K1, K2) und der gegenüberliegenden Fläche (9, 10) ein Abstand vorgesehen ist.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (K1, K2) an oder in der Fläche (9, 10) um ihre Zentren bzw. Achsen drehfest angeordnet, vorzugsweise einstückig eingegliedert, sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (K1, K2) an oder in den Flächen (9, 10) um ihre Zentren oder Achsen drehbar angeordnet sind.
Rastvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (K1, K2) aus Stahl, Nichteisenmetallen, Kunststoff, Gummi, Keramik, Mineralien od.dgl. bestehen, und dass in der Rastvorrichtung Körper aus untereinander gleichen oder unterschiedlichen Materialien kombiniert sind.
Rastvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (K1, K2), gegossen, spritzgussgeformt oder maschinell bearbeitet sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelemente (E1, E2) koaxial relativ zueinander verdrehbar, linear parallel relativ zueinander bewegbar oder parallel entlang Bogenkrümmungen relativ zueinander bewegbar sind.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Paarungen kegelig/kegelig, kegelig/kegelstumpfförmig oder kegelstumpfförmig/kegelstumpfförmig die tatsächlichen oder virtuellen Kegelspitzen (21) der Körper in den Reihen abwechselnd zur einen und zur anderen Seite weisen.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Maschinenelement (E2) oder ein die Fläche (10) dieses Maschinenelementes (D2) bildender Teil des Maschinenelements (E2) oder jeder Körper (K2) gegen die Anpressung nachgiebig angeordnet ist.
Rastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an. oder in einer Fläche (9, 10) angeordneten Körper (K1, K2) untereinander fest verbunden oder voneinander strukturell getrennt sind.
Drehmomentbegrenzer, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastvorrichtung (R) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Drehmomentbegrenzung in einer Drehkupplung angeordnet ist, die als Träger der Körper (K1, K2) zwei über die Körper (K1, K2) gekuppelte scheibenförmige und drehgelagerte Maschinenelemente (E1, E2, 1, 2) aufweist, von denen das eine antreibbar und das andere bis zum Erreichen der Kraft- oder Drehmomentgrenze schleppbar ist, wobei ab Erreichen der Kraft- oder Drehmomentgrenze die Körper (K1, K2) ohne Kontakt mit den Flächen (9, 10) aneinander gleiten oder sich aneinander abwälzen.