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Gebiet der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Drehmoment übertragende
Anordnungen, welche Anschlussstücken
aufweisen, die mit einer biegsamen Antriebswelle aus einer superelastischen Legierung
gekuppelt sind und in Vorrichtungen für medizinische und industrielle
Anwendungen nützlich sind,
bei denen eine biegsame Welle erforderlich ist; und insbesondere
auf motorgetriebene chirurgische Instrumente zur Übertragung
von Momenten auf "biegsame
Reibahlen" oder "biegsame Bohrer", die in der orthopädischen
Chirurgie zum Abnehmen von Material aus der Mitte gekrümmter Knochen
dienen.
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Hintergrund-Technik
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Eine
Anordnung zur Übertragung
von Drehmomenten gemäss
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus dem Dokument USA-A-5'499'984 bekannt.
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Es
ist allgemein bekannt, dass Rohre, Drähte oder Stäbe aus Nitinol (Nickel-Titan)
als mechanische Antriebswellen dienen können. Nitinol ist besonders
vorteilhaft zur Übertragung
von Momenten, während
es eine gebogene oder gekrümmte
Form annimmt. Diese Arten von Antriebswellen haben sich bei orthopädischen
chirurgischen Anwendungen als nützlich
erwiesen, bei denen ein Ausbohren oder Ausräumen von gekrümmten Knochen
erforderlich ist. Eine Anwendung ist die Verwendung eines Bohrers
oder einer Reibahle mit einer Antriebswelle aus Nitinol, um den
Mittenbereich eines Oberschenkelknochens vor dem Implantieren einer
Prothese oder eines Knochennagels zu reinigen. Diese Knochen weisen
normalerweise eine Krümmung
mit einem Radius von 90 Zoll auf und verlangen für diese Bearbeitung eine biegsame
Reibahle. Für
diese Anwendung kann ein Rohr aus Nitinol verwendet werden, da es
einen Durchlass aufweist und über
einen Führungsdraht
gezogen werden kann, der im Oberschenkelknochen versenkt wird, bevor
der Einsatz der Reibahle begonnen wird. Da das Rohr eine geschlossene
Oberflächenstruktur
hat, ist es nach der chirurgischen Operation leicht zu reinigen,
da keine Risse vorhanden sind, die Blut einschliessen könnten. Frühere Konstruktionen
haben Antriebswellen aus einer Feder verwendetet, und deren Reinigung war
ausserordentlich schwierig, da Blut zwischen den Windungen der Feder
eingeschlossen werden konnte. Die früheren Federkonstruktionen wiesen weiterhin
Nachteile auf, wenn sie in Rückwärtsrichtung
betrieben wurden, da Federn die Eigenschaft besitzen, eine feste
Struktur zu bilden, wenn sie in einer Richtung bewegt werden, jedoch
die Neigung aufweisen, sich aufzudrehen, wenn man sie in umgekehrter
Richtung betreibt. Um dieses Aufwickelproblem zu lösen, haben
mehrere Fabrikanten eine zusätzliche
Feder im Inneren der ersten Feder angeordnet, welche in Gegenrichtung
gewickelt ist. Da sich eine Feder im Inneren einer anderen befindet,
steigen dadurch die Schwierigkeiten der Reinigung, und es wird weiterhin
den Bedarf nach einer anderen Wellenkonstruktion nahegelegt.
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Wegen
der steigenden Nachfrage auf dem Markt nach diesen neuen Antriebswellen
aus Nitinol wurden mehrere Anstrengungen unternommen, um Verfahren
zur sicheren Kupplung mit der Welle zu entwickeln. Eine Schwierigkeit,
mit der die Ingenieure konfrontiert wurden, tritt auf, wenn das Rohr
aus Nitinol die Grenzen der inneren Verdrehung oder der Ermüdungsbelastung übersteigt;
es sind Fälle
bekannt geworden, bei denen ein katastrophaler Ausfall eingetreten
ist, wobei die Welle in mehrere scharfe Teile zerfallen ist. Dies
ist gefährlich,
wenn es im Körper
eines Patienten auftritt, und es wurden schwere Bedenken erhoben,
ob diese Arten von Erzeugnissen unter sicheren Bedingungen verwendet
werden können.
Im Laufe der Zeit sind keine Lösungen
angeboten worden, um die Beanspruchung der Antriebswelle zu begrenzen,
die die gegenwärtigen
zurückbleibenden
Bedenken bezüglich
eines Bruches bei der Verwendung beseitigen könnten.
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Eine
weitere Schwierigkeit bezieht sich auf die Verbindung der Anschlussstücken mit
der Antriebswelle aus Nitinol. Die Verbindung muss verlässlich sein
und keine unnötige
Belastung am Rohr erzeugen. Dies würde zu einem frühen Ausfall
der Welle führen.
Bei dem oben erwähnten
Beispiel der orthopädischen
Reibahle besitzt ein Ende des Rohres aus Nitinol eine Anschlussstück aus rostfreiem
Stahl, die zur Verbindung mit einem kraftgetriebenen Instrument
dient, und am anderen Ende den Kopf einer Reibahle aus rostfreiem
Stahl oder eine modulare Zwischen Anschlussstück, die die Verbindung zum Kopf
einer Reibahle herstellt. Verschiedene Anstrengungen wurden unternommen,
um zuverlässige
Verbindungsteile zu schaffen.
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Ein
Versuch zur Lösung
des oben angesprochenen Problems der Verbindung war die Verwendung
eines Epoxyharzes, um die Anschlussstücken auf die Welle auf Nitinol "aufzukleben". Die hohen Temperaturen
bei der Sterilisierung und die kritischen Anforderungen der Vorbereitung
von Oberflächen haben
jedoch diesen Versuch als unzuverlässig erwiesen.
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Ein
weiterer versuch war das Anbringen der Anschlussstück an der
Welle durch Laserschweissung, beim Vorgang des Schweissens wurde
das Rohr jedoch spröde,
und es wurde überdies
beim Testen gefunden, dass Torsionsbeanspruchungen nicht ausgehalten
wurden. Daher wurde ein Querloch durch die Anschlussstücken vorgesehen
und ein Stift darin eingesetzt; dieser zusätzliche Versuch erwies sich
jedoch als nutzlos, da das Passloch im Rohr die Beanspruchung im
Rohr ausserordentlich steigen liess, so dass bereits bei sehr geringen
Werten einer Torsion Ausfälle
eintraten. Beim erwähnten
Beispiel stellte es sich heraus, dass der Ausfall irgendwo zwischen
2 und 4 Nm auftrat.
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Eine
weiterer Lösungsversuch
bestand darin, die Welle aus Nitinol mit Presssitz in eine Anschlussstück einzusetzen,
wobei der Durchmesserunterschied etwa 0,002 Zoll beträgt. Die
ersten Versuche waren von Erfolg gekrönt, aber bei der strengen Untersuchung
auf Ermüdung übertrug
das Rohr einen zu hohen Betrag an Ringbeanspruchung auf die Anschlussstücken, wodurch
diese früher
als die Welle ausfielen. Um dieses Problem zu überwinden, wurde vorgeschlagen,
einen langen Rohrabschnitt auf die Anschlussstück aufzubringen, der lose um das
Wellenrohr gelegt wurde. Dadurch sollte es möglich sein, dass die Belastung
langsam in das Gebiet übertragen
wird, in welchem sich der Presssitz befindet. Diese Lösung war
erfolgreich, wobei es aber erforderlich war, dass die Anschlussstück im Vergleich mit
den zu verwendenden Köpfen
ausserordentlich lang gemacht werden musste. Dies ist unerwünscht, da
die Reibahle der Krümmung
des Knochens folgen muss, und der Vorschlag löste nicht das Problem, das
Moment in der Welle zu begrenzen, um die Sicherheit der Antriebswelle
während
der Verwendung zu gewährleisten.
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Es
besteht daher immer noch ein primärer Bedarf nach einem Kupplungssystem,
welches bei der Verwendung in chirurgischen und industriellen Anwendungen,
bei denen biegsame Antriebswellen erforderlich sind, sicher und
wirkungsvoll ist.
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Es
besteht weiterhin ein Bedarf, eine Antriebswelle aus Nitinol zu
verwenden, um die Antriebswellen aus Federn bei orthopädischen
Instrumenten und vielen industriellen Werkzeugen zu ersetzen und
das Reinigungsverfahren zu erleichtern sowie eine gleichmässige Momentbelastung
in Vorwärtsrichtung
und Rückwärtsrichtung
zu gewährleisten.
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Weiterhin
besteht ein Bedarf zur Schaffung eines Kupplungssystems, welches
das Moment in der Anschlussstück
auf der Antriebswelle aus Nitinol vermindert, um sicherzustellen,
dass die Kupplung das Drehmoment begrenzt, bevor die Rohrwelle bricht.
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Weiterhin
besteht Bedarf nach einer Kupplung, die keine unnötige Belastung
auf das Rohr aus Nitinol ausübt,
wodurch ein vorzeitiger Bruch eintritt.
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Schliesslich
besteht Bedarf danach, die Länge
der Anschlussstück
zu verkürzen,
so dass die Reibahle den natürlichen
Umrissen im Inneren des Knochens folgen kann, wobei die Belastung
zusätzlich
sanft übertragen
wird, wodurch die Festigkeit der Anschlussstück gewährleistet ist.
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Beschreibung
der Erfindung
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Erfindungsgemäss wird
eine Anordnung zur Übertragung
eines Drehmomentes im Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung
der Anordnung im Patentanspruch 21 beschrieben. Eine chirurgische
Reibahle, welche die Anord nung aufweist, ist der Gegenstand des
Anspruches 25. Die Anordnung besitzt ein aufnehmendes Kupplungsteil mit
einer Bohrung. Das aufnehmende Kupplungsteil kann eine Anschlussstück sein,
die die Verbindung mit einem angetriebenen Instrument herstellt,
oder es kann einen Schneidkopf darstellen, oder beide Möglichkeiten
verwirklichen. In die Bohrung ist ein radial nachgiebiges Element
eingesetzt, welches eine Hohlform mit einer Öffnung definiert. Die Anordnung weist
weiterhin ein längliches
Wellenelement (Schaftelement) auf, das aus einer superelastischen
Legierung besteht und in die Öffnung
eingeführt
ist. Eine Relativbewegung der Komponenten stellt eine Berührung des
radial nachgiebigen Elementes mit der Welle her und erzeugt eine
superelastische Aktivierung in der Welle, wodurch die Welle und
das radial nachgiebige Element in Oberflächenkontakt miteinander gelangen
und die Bauelemente in einer festen gegenseitigen Lage gesichert
werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das radial
nachgiebige Element eine Aussenfläche auf, die sich bei einer
Relativbewegung durch Reibung an die Bohrung anlegt. Die Berührung tritt
bevorzugt längs
einer oder mehrerer Flächen
ein, welche das angelegte Moment durch Reibung übertragen, und diese Berührungsflächen können derart
kalibriert werden, dass die Berührung
bei einem vorgegebenen Drehmoment einen Schlupf erzeugt, bevor die
Bruchgrenze der Welle erreicht ist. Bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
ist die Welle rohrförmig
mit einem inneren Lumen ausgebildet, welches mit einem anderen Lumen
im aufnehmenden Kupplungselement ausgerichtet ist und einen gemeinsamen
Durchgang eines Führungsdrahtes
ermöglicht.
Nach einer weiteren, noch anderen Ausführungsform wird die Anordnung mit
einer zwischengeschobenen Polymerhülse versehen, um eine Biegebelastung
zu übertragen.
Bei einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weist das aufnehmende
Kupplungsteil eine Gegenbohrung auf, während das radial nachgiebige
Element eine Aussenfläche besitzt,
die zum Eingriff in die Gegenbohrung ausgebildet ist und in dieser
Gegenbohrung komprimiert oder aber in diese im vormontiertem Zustand
eingeführt
wird. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das radial nachgiebige Element
eine Schlitzhülse,
und eine Relativbewegung von mindestens zwei der genannten Bauteile erzeugt
die Öffnung
der Hülse,
um den Kontakt mit der Welle herzustellen, wodurch eine superelastische Aktivierung
der Welle eintritt, welche die Welle und die Hülse in Oberflächenberührung bringt
und die Bauteile in einer festgelegten relativen Stellung sichert.
Nach einer anderen alternativen und bevorzugten Ausführungsform
ist das radial nachgiebige Element eine Hülse und ist aus einer superelastischen
Legierung hergestellt, wobei eine Relativbewegung des Verbindungsteils
und der Hülse
zu einer Berührung
der Hülse
mit der Welle führt
und eine superelastische Aktivierung in der Welle einleitet, wobei ein
Oberflächenkontakt
zwischen der Welle und Hülse
erzeugt wird und die Bauteile in einer festen gegenseitigen Position
gesichert werden. Die Hülse kann
die Form einer Zwischenscheibe oder einer Reihe von Zwischenscheiben
aufweisen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Übertragung eines Drehmomentes
ist ebenfalls geoffenbart und weist die folgenden Schritte auf. Es
wird zunächst
ein aufnehmendes Kupplungsteil bereitgestellt, welches eine Bohrung
aufweist, und ebenfalls ein radial nachgiebiges Element mit einer Aussenfläche und
einer Öffnung,
wobei sich das radial nachgiebige Element im Inneren der Bohrung
befindet. Weiterhin wird eine langgestreckte Welle bereitgestellt,
die aus einer superelastischen Legierung hergestellt ist und in
der Öffnung
aufgenommen wird. Eine Relativbewegung von mindestens zwei der genannten
Bauteile verursacht die Berührung
des radial nachgiebigen Elementes mit der Welle und leitet eine superelastische
Aktivierung in der Welle ein, die die Welle und das radial nachgiebige
Element in gegenseitiger Oberflächenberührung bringt
und dabei die Bauteile in einer festen gegenseitigen Lage gesichert werden.
Das radial nachgiebige Element kann alternativ entweder aus einer
Schlitzhülse
bestehen, die mit einer äusseren
Kompressionshülse
zusammenwirkt, oder einer superelastischen Hülse, welche mit einer Gegenbohrung
im aufnehmenden Kupplungsteil zusammenwirkt. Schliesslich wird eine
flexible chirurgische Reibahle geoffenbart, welche eine Drehmoment übertragende
Anordnung aufweist.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung der Anordnung, welche ein Drehmoment überträgt, ist derjenige,
dass das Drehmoment begrenzt wird, und zwar infolge eines Reibungskontaktes
zwischen Oberflächen,
und demgemäss
tritt ein Schlupf in der Kupplung bei einem Moment ein, das kleiner
ist als die höchste
Bruchfestigkeit der Welle.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist derjenige, dass
das Moment eingestellt werden kann, indem man die Grösse der
Kontaktfläche zwischen
den Bauteilen erhöht
oder vermindert und die Oberflächengüte der Komponenten
der Anordnung entsprechend einstellt.
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Ein
weiterer Vorteil ist die Verbesserung der Ermüdung aufgrund der Ringbelastung
durch die Verwendung eines bevorzugten weicheren Werkstoffes, beispielsweise
einer Polymerhülse,
die zwischen dem Kupplungselement und der Welle eingesetzt wird
und als Dämpfungsglied
wirkt, um die Kräfte gleichmässig zu
verteilen und dadurch die richtige Belastungsübertragung zu sichern.
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Andere
Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus einer Lektüre der folgenden
Einzelbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
hervor.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Explosionszeichnung einer Anordnung zur Übertragung eines Drehmomentes gemäss vorliegender
Erfindung und zeigt ein bevorzugtes Anschlussstück, das eine Schlitzhülse, eine Kompressionshülse und
eine dazwischen eingeschobene, optionale Polymerhülse aufweist;
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2 ist
eine Seitenansicht von 1 und zeigt die Hülse, die
zwecks Kupplung der Anordnung durch die Kompressionshülse komprimiert
wurde;
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3 ist
eine Schnittzeichnung, aufgenommen entlang der Linie 3-3 in 2;
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4 ist
eine Explosionszeichnung einer anderen Ausführungsform einer Anordnung
zur Übertragung
eines Drehmomentes gemäss
vorliegender Erfindung und zeigt ein Anschlussstück mit einem Kragen, der vorzugsweise
aus einer Reihe von Zwischenscheiben besteht, die jede aus einer
superelastischen Legierung hergestellt sind, mit einer Kompressionshülse und
einer optional vorhandenen Polymerhülse;
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5 ist
eine Seitenansicht gemäss 4 und
zeigt den Kragen, der von der Hülse
zwecks Kupplung der Anordnung komprimiert ist; und
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6 ist
ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 in 5.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Es
wird Bezug genommen auf die 1 bis 3 und
insbesondere auf 1. Die vorliegende Erfindung
weist eine Antriebswelle 5 auf, die aus einer superelastischen
Legie rung gefertigt ist, vorzugsweise aus einer Legierung aus Nickel
und Titan, die unter der Bezeichnung Nitinol bekannt ist. Wellen
aus dieser Art von Legierung können
mit einem Durchlass 7 hergestellt werden, wie in 3 gezeigt
ist, und sie zeigen die eigentümliche
Eigenschaft, Drehmomente zu übertragen,
während
sie im Verlaufe der Verwendung hohen Biegekräften unterworfen sind. Die
beispielsweise Verwendung der vorliegenden Erfindung liegt bei orthopädischen
Vorrichtungen zum Bohren und Ausräumen; die Verwendung von superelastischen
Legierungen gemäss
der vorliegenden Erfindung weist jedoch noch viel breitere Anwendungen
auf, die sowohl medizinische als auch andere industrielle Anwendungen
umfassen. Eine Vorrichtung gemäss
vorliegender Erfindung ist in dem 2 und 3 allgemein
mit 13 bezeichnet. Das Werkzeug-Anschlussstück 20 weist
vorzugsweise einen Kanal 22 auf, der auf einen anderen
Durchlass 7 ausgerichtet ist, welcher Bestandteil der Welle 5 ist,
wobei die Ausrichtung stattfindet, wenn die Vorrichtung 13 nach
dem vorliegenden Verfahren zusammengebaut wird. Die ausgerichteten
Durchgänge 7 und 20 ermöglichen
es, dass die Vorrichtung 13 über einen (nicht gezeigten)
Führungsdraht
gebracht wird. Das Werkzeug-Anschlussstück 20 besitzt ausserdem eine
radial bewegliche, d.h. biegsame Hülse 25, welche vorzugsweise
zusammen mit dem Anschlussstück
eine einzige Struktur bildet, obgleich das Anschlussstück vom radial
nachgiebigen Bereich auch getrennt sein kann, wie es nachstehend
unter Bezugnahme auf eine andere Ausführungsform (4–6)
beschrieben wird. Nach dem vorliegenden Verfahren wird die Welle 5 gleitend
in die Hülse 25 eingebracht.
Vorzugsweise besteht eine Berührungspassung
zwischen dem Aussendurchmesser D1 der Welle 5 und dem Innendurchmesser
D2 der Hülse 25.
Diese Passung verursacht ein Aufbiegen der Hülse 25 unter Bildung
einer blumenartigen Struktur, wenn die Welle 5 und das
Anschlussstück 20 gleitend
miteinander in Eingriff gebracht werden.
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Nachdem
die Welle 5 in die Hülse 25 eingeschoben
wurde, wird eine Kompressionshülse 10 (1–3) über die
blumenähnliche
Hülse 25 geschoben
und an der Verbindungsstelle 12 mit dieser verschweisst.
Beim Zusammenbau dieser Teile, 5, 10 und 25 wird
die Hülse 25 radial
auf die Welle gedrückt,
was eine superelastischen Aktivierung der Legierung verursacht,
die die Welle bildet, und dadurch wird eine sichere Kupplung geschaffen.
Diese superelastische Reaktion ermöglicht es, dass die Finger
der Hülse 25 das
Rohr über
die Länge
L1 berühren,
wie es in 3 gezeigt ist. Dieser Oberflächenkontakt
(in 3 mit 30 bezeichnet) ermöglicht es
der Vorrichtung 13, ein Drehmoment zu übertragen. Im Grunde übertragen
die Teile das Drehmoment mit Hilfe der Reibung. Wenn daher die Reibungskräfte durch
die Anwendung eines zu grossen Drehmomentes auf das Werkzeug-Anschlussstück 20 überwunden
werden, lösen
sich das Anschlussstück
und die Welle 5 voneinander, und es tritt ein Drehschlupf
ein. Dieser Schlupf begrenzt die Grösse des Drehmomentes, welches
auf die Welle übertragen
werden kann. Die Kontaktfläche 30 kann
eingestellt werden, indem man die Länge L1 verändert und damit den Grenzwert
des höchstzulässigen Drehmomentes
verändert,
um sicherzustellen, dass ein Schlupf auftritt, bevor die höchste Bruchfestigkeit
der Welle 5 erreicht ist.
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Es
ist möglich,
eine eventuell zu verwendende Polymerhülse 15 durch Vormontage
in die Kompressionshülse 10 einzubringen.
Der Zweck der Polymerhülse 15 ist
es, während
der Verwendung der Welle 5 in einem gebogenen Zustand eine
Belastung über
das Werkzeug-Anschlussstück 20 gleichförmig auf
die Welle zu übertragen.
Diese gleichmässigere Übertragung
erzeugt einen vorgängigen
Ausfall der Anschlussstück 20.
Die Verwendung einer Polymerhülse 15 kann
erforderlich werden, wenn die Auslegung der Wandungsdicke des Werkzeug-Anschlussstücks sehr
dünn gewählt wird,
bei spielsweise zwischen etwa 0,25 und 1,00 mm. Anderenfalls ist
das Werkzeug-Anschlussstück 20 in
der Lage, die Belastung aufzunehmen, so dass die Notwendigkeit der Polymerhülse 15 entfällt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in den 4-6 und
insbesondere in 4 dargestellt, welche eine Welle 105 aus
einer superelastischen Legierung zeigen, beispielsweise aus Nitinol.
Wie schon vorstehend unter Bezugnahme auf 1-3 besprochen
wurde, ist die Welle 105 ähnlich der Welle 5 und weist
vorzugsweise einen Durchlass 107 auf, wie es in 6 dargestellt
ist. Dadurch kann die Welle 105 die ungewöhnliche
Eigenschaft besitzen, ein Drehmoment zu übertragen, während bei
der Verwendung hohe Biegekräfte
auf die Welle einwirken. Obschon die beispielsweisen Verwendungen
der superelastischen Legierung, wie sie in diesem Dokument beschrieben
werden, in orthopädischen
Vorrichtung zum Bohren und Ausräumen
liegen, so besitzt die Verwendung dieser Legierung in der vorliegenden Erfindung
viel breitere Anwendungsgebiete, die sowohl medizinische als auch
andere industrielle Anwendungen einschliessen. Die zusammengebaute Vorrichtung
wird in den 5 und 6 allgemein mit 113 bezeichnet
und umfasst die Verwendung eines Werkzeug-Anschlussstückes 120, welches
modular aufgebaut ist und anstelle eines einstückigen Bauteils verwendet wird
(siehe die Hülse 25 in 1–3).
Das Werkzeug-Anschlussstück 120 kann
einen Durchlass 122 aufweisen, welcher von Nutzen ist,
wenn er auf den Durchlass 107 der Welle ausgerichtet ist
und dadurch das Aufschieben über einen
(nicht dargestellten) Führungsdraht
ermöglicht. Das
Werkzeug-Anschlussstück 120 besitzt
einen Innendurchmesser D104 und weist einen modularen radial nachgiebigen
Bereich auf, der von einer Reihe von Unterlegscheiben 125 aus
Nitinol gebildet ist, die zusammen die Form einer Muffe bilden.
Die Unterlegscheiben 125 haben jeweils einen Aussendurchmesser
D103 und einen Innendurchmesser D102. Beim Zusammenbau nach einem
anderen, bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Welle 105,
die den Durchmesser D101 aufweist, in das Werkzeug-Anschlussstück 120 eingeschoben. Vorzugsweise
im Verlaufe des Zusammenbaus bildet sich ein Presssitz zwischen
dem Aussendurchmesser 101 und dem Innendurchmesser D102
und ein Presssitz zwischen dem Aussendurchmesser D103 und D104 aus.
Dieser Presssitz verursacht eine radiale Kompression der nachgiebigen
Unterlegscheiben 125, was zu einem Oberflächenkontakt
(Bezugszeichen 130) über
die Länge
L101 führt.
Die radial nachgiebigen Unterlegscheiben 125 befinden sich schliesslich
eingeklemmt zwischen der Welle 105 und dem Werkzeug-Anschlussstück 120.
Dieser Vorgang kann mit verschiedenen Montageverfahren erreicht
werden. In einem Fall können
die nachgiebigen Unterlegscheiben 125 zunächst mit
dem Werkzeug-Anschlussstück 120 vormontiert
werden, und die Welle 105 kann dann anschliessend in diese
Anordnung eingebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch die Welle 105 lose
in das Werkzeug-Anschlussstück 120 eingeschoben,
und anschliessend werden die Unterlegscheiben in das Werkzeug-Anschlussstück 120 hineingedrückt. Im
Verlaufe dieses Hineindrückens
werden sie durch den Presssitz zwischen dem Aussendurchmesser D103
der Unterlegscheiben 125 und der Innendimension D104 des
Werkzeugeinsatzes zusammengedrückt.
Dieser Presssitz verursacht eine superelastische Reaktion in den
Unterlegscheiben 125, wodurch ihre Innendimension D102
gegen die Aussendimension D101 der Welle 105 gepresst wird
und dabei über
die Länge
L101 der Oberflächenkontakt
zustande kommt, der mit 130 bezeichnet ist. Gerade dieser
Oberflächenkontakt,
der in 6 mit 130 bezeichnet ist, ermöglicht nun,
dass die Anordnung ein Drehmoment übertragen kann. Im Grunde übertragen
die Bauteile das Drehmoment mit Hilfe der Reibung. Falls die Reibungskräfte durch
das Anlegen eines zu grossen Drehmomentes an das Werkzeug-Anschlussstück 120 überschritten
werden, lösen
sich die Bauteile 120 und 105 voneinander und
können
einen Drehschlupf erzeugen. Dieser Drehschlupf begrenzt den Betrag
des Drehmomentes, der an die Welle angelegt werden kann. Wenn die
Kontaktfläche 130 im
Verlaufe des Zusammenbaus durch Änderung
der Länge
L101 verändert
wird, kann der Grenzwert des grössten
anwendbaren Drehmomentes so eingestellt werden, dass der Schlupf
eintritt, bevor die Grenze der Bruchfestigkeit der Welle 105 erreicht
ist.
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Eine
zusätzliche
Hülse 110 kann
vorgesehen und am Verbindungsbereich 112 verschweisst werden,
wobei zuvor eventuell eine Polymerhülse 115 eingebaut
wird. Der Zweck der Polymerhülse
ist es, eine Belastung an die Welle 105 gleichmässig über das
Werkzeug-Anschlussstück 120 zu übertragen, während die
Anordnung in einem gebogenen Zustand in Betrieb ist. Dieser glattere Übergang
sichert, dass zunächst
die Anschlussstück
ausfällt.
Die Verwendung dieser Polymerhülse 115 ist
lediglich erforderlich, wenn die Auslegung der Wandungsdicke des Werkzeug-Anschlussstücks 120 gering
ist, beispielsweise in der Grössenordnung
von 0,25 mm bis 1 mm. Anderenfalls ist der Werkzeugeinsatz 120 in
der Lage, die Belastung aufzunehmen, was die Notwendigkeit der zusätzlichen
Polymerhülse 115 und
der Hülse 110 überflüssig macht.
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Es
wird noch auf die folgenden Dokumente Bezug genommen: US-Patentanmeldung
Nr. 09/860'916,
eingereicht am 18. Mai 2001 unter dem Titel „Stress-Induced Connecting
Assembly" (belastungsverursachte
Verbindungsanordnung); US-Patentschrift
Nr. 6'257'953, eingereicht
am 11. März 2001
unter dem Titel „Stress-Induced
Interposed Connector" (lastbasierter
Zwischenverbinder); US-Patentanmeldung Nr. 09/311'938, eingereicht
am 14. Mai 1999 unter dem Titel „Stress-Induced Seal" (lastbasierte Dichtung);
sowie provi sorische US-Patentanmeldung Nr. 60/262'362, eingereicht
am 19. Januar 2001 unter dem Titel „Drive Shaft Coupling" (Antriebswellenkupplung).
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Obschon
die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, dass die verschiedensten
Veränderungen
und Verbesserungen angebracht werden können, ohne dass der Geltungsbereich
der Erfindung verlassen wird, wie er in den anliegenden Patentansprüchen definiert
ist.