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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Antriebselement
zum Übermitteln oder Übertragen
eines Drehmoments zwischen zwei drehbaren Baugliedern.
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Die
internationale Anmeldung Nr. PCT/AU96/00193 des Anmelders beschreibt
ein Antriebselement und einen artikulierten Antrieb, der eines oder
mehrere der Antriebselemente zum Übertragen von Drehmoment sowohl
in einer Uhrzeiger- als auch einer Gegenuhrzeigerrichtung und entlang geraden
und gebogenen Wegen beschreibt. Um ein Drehmoment über einen
gebogenen oder gekrümmten
Weg zu übertragen,
sind zwei oder mehr Antriebselemente ineinandergreifend angeordnet
und werden in einer Tragestruktur, wie z. B. einer Röhre, gehalten.
Artikulierte Antriebe zum Übertragen
von Drehmoment in entgegengesetzten Richtungen entlang einem gekrümmten Weg
wurden auf diese Weise erfolgreich aufgebaut. Es wurde jedoch erkannt, dass
der erreichbare Krümmungsgrad
begrenzt ist durch den Effekt, dass der Abstand zwischen zwei Antriebselementen
variiert, wenn sich der Krümmungsgrad
oder -radius des Wegs ändert,
auf dem die Elemente liegen. In der Tat begrenzt dies letztendlich
den Krümmungsgrad,
der für
einen bestimmten artikulierten Antrieb verfügbar ist, und erhöht die Komplexität von flexiblen
artikulierten Antrieben, wo zusätzliche
Mechanismen erforderlich sind, um die Änderung bei dem Abstand zwischen
benachbarten Antriebselementen mit sich änderndem Krümmungsradius zu kompensieren.
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Das
U.S.-Patent Nr. 1,100,097 (Reed) offenbart eine flexible Welle mit
Verbindungsbaugliedern, die durch Verbinder in Reihe geschaltet
sind. Die Verbinder haben im Allgemeinen eine Kugelform und sind
mit Umfangsrillen versehen, die die Backen der Verbindungsbauglieder
aufnehmen. Bei der Verwendung dreht sich jedes Verbindungsbauglied
um eine longitudinale Achse. Benachbarte Verbindungsbauglieder können sich relativ
zueinander um einen Schwenkpunkt schwenken, der an der geometrischen
Mitte des dazwischenliegenden Verbinders angeordnet ist. Die Backen
der Verbindungsbauglieder und die Umfangsrillen in den Verbindern
sind konfiguriert, um eine wesentliche Konstante beizubehalten zwischen
dem Schwenkpunkt und jeweiligen Orten jedes Verbindungsbauglieds
mit der geometrischen Mitte des Verbinders für den vorbestimmten Bereich
von Schwenkwinkeln von benachbarten Verbindungsbaugliedern relativ
zueinander.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Antriebselement
mit verbesserten Charakteristika im Vergleich zu denjenigen zu schaffen,
die in der früheren
Anmeldung des Anmelders beschrieben sind.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Antriebselement gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der
vorbestimmte Bereich von Winkeln ist vorzugsweise in der Größenordnung
von bis zu 50° bis
60°.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die erste und die zweite Kopplungseinrichtung in
zueinander senkrechten Richtungen.
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Vorzugsweise
ist die erste Kopplungseinrichtung als entweder ein Vorsprung oder
Schlitz gebildet, und die zweite Kopplungseinrichtung ist als das andere
von Vorsprung oder Schlitz gebildet. Obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen
sowohl die erste Kopplungseinrichtung als auch die zweite Kopplungseinrichtung
in der gleichen Form sein können,
d. h. sowohl beide entweder ein Vorsprung oder beide ein Schlitz.
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Das
Antriebselement ist vorzugsweise in der Form einer Kugel, wobei
Material von derselben entfernt ist, um die erste und zweite Kopplungseinrichtung
zu erzeugen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine artikulierte
Kopplung vorgesehen, die folgende Merkmale umfasst:
eine erste
und zweite drehbare Welle, die um ihre jeweiligen longitudinalen
Achsen drehbar sind; und
ein Antriebselement gemäß Anspruch
1, das zwischen der ersten und zweiten drehbaren Welle angeordnet
ist und mit derselben gekoppelt ist, zum Übertragen eines Drehmoments
von einer der Wellen mit der anderen Welle in einer Uhrzeiger- oder
Gegenuhrzeigerrichtung.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein artikulierter
flexibler Antrieb vorgesehen zum Übertragen eines Drehmoments entlang
einer Antriebsleitung in sowohl einer Uhrzeiger- als auch einer
Gegenuhrzeigerrichtung, wobei der artikulierte flexible Antrieb
eine Mehrzahl von Antriebselementen gemäß Anspruch 1 und ein flexibles Gehäuse umfasst,
zum drehbaren Halten der Antriebselemente entlang der Antriebsleitung,
wobei die Antriebselemente drehbar sind um jeweilige Rotationsachsen
tangential zu der Antriebsleitung, und jeweils eine erste und eine
zweite Kopplungseinrichtung aufweisen, um das Ineinandergreifen
von benachbarten Elementen auf die Weise zu ermöglichen, dass benachbarte Antriebselemente
relativ zueinander in Ebenen gleiten können, die die erste und zweite
Kopplungseinrichtung von benachbarten ineinandergreifenden Antriebselementen
enthalten.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Seitenansicht einer universalen Kopplung, die ein Antriebselement
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst;
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2 ist
eine Seitenansicht der in 1 gezeigten
Kopplung, aber mit allen Komponenten um 90° gedreht;
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3 ist
eine Ansicht des Antriebselements, wie es in 1 dargestellt
ist;
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4 ist
eine Ansicht des Antriebselements, wie es in 2 dargestellt
ist;
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5 ist
eine Seitenansicht der Kopplung, wie sie in 1 dargestellt
ist, aber mit der Ausgangswelle in einer Reihe von verschiedenen
Neigungen gezeigt.
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6 ist
eine Teilschnittansicht eines artikulierten flexiblen Antriebs,
der das Antriebselement umfasst; und
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7 ist
eine vergrößerte Ansicht
von zwei der Antriebselemente des in 6 gezeigten
artikulierten flexiblen Antriebs.
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Wie
es in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, ist ein Antriebselement 10 vorgesehen
zum Koppeln eines ersten und zweiten drehbaren Bauglieds in der
Form von Wellen 12 und 14. Die Welle 12 kann
sich um ihre longitudinale Achse 12A drehen, während die
Welle 14 sich entlang ihrer longitudinalen Achse 14A drehen
kann. Die Wellen 12 und 14 können relativ zueinander um
einen Schwenkpunkt P schwenken, der an dem Schnittstellenpunkt der
Achse 12A und 14A angeordnet ist, wenn diese Achsen
nicht in Reihe sind. Das Antriebselement 10 ist zwischen
den Wellen 12 und 14 angeordnet, wobei seine geometrische
Mitte mit dem Schwenkpunkt P zusammenfällt. Das Ende der Welle 12 benachbart zu
dem Antriebselement 10 ist mit einem Vorsprung oder einer
Zunge 16 versehen, und das Ende der Welle 14 benachbart
zu dem Antriebselement 10 ist mit einem Schlitz oder einer
Rille 18 versehen. Damit das Antriebselement 10 die
Wellen 12 und 14 miteinander koppeln kann, ist
es mit einer ersten Kopplungseinrichtung in der Form einer Rille 20 versehen, zum
Aufnehmen der Zunge 16 und eines Vorsprungs oder einer
Zunge 22, die in dem Schlitz 18 sitzt.
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Wenn
beispielsweise die Welle 14 getrieben wird, um sich um
ihre Achse 14A zu drehen, wird ein Drehmoment durch das
Antriebselement 10 zu der Welle 12 übertragen,
was bewirkt, dass sich dieselbe um ihre Achse 12A in der
gleichen Drehrichtung der Welle 14 dreht.
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Die
Wellen 12 und 14 und das Antriebselement 10 bilden
zusammen eine universelle Kopplung 24. Das Schwenken der
Welle 12 ist in einer Ebene, die mit der Länge des
Schlitzes 20 zusammenfällt. Die
Welle 14 kann in einer Querebene schwenken, die mit der
Ebene zusammenfällt,
die den Vorsprung 22 enthält. Um es zu ermöglichen,
dass die Wellen 12 und 14 relativ zueinander um
den Schwenkpunkt P schwenken, ohne die Gesamtlänge der universalen Kopplung 24 zu ändern, ist
das Antriebselement 10 konfiguriert, um eine im Wesentlichen
konstante Beabstandung zwischen dem Schwenkpunkt P und den jeweiligen
Orten des engsten Kontakts der Wellen 12 und 14 mit
der geometrischen Mitte P des Antriebselements 10 beizubehalten,
für einen
vorbestimmten Bereich von Schwenkwinkeln der Achsen 12A und 14A relativ
zueinander.
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Die
Orte des engsten Kontakts sind in 5 am besten
dargestellt. Diese Figur stellt die Kopplung 24 an einer
zentralen Position und zwei gegenüberliegenden geschwenkten Positionen
dar. In der zentralen Position hat die Welle 121 ihre
Rotationsachse 12A1 kolinear mit
der Achse 14A. Das Schwenken der Welle 12 um einen
Winkel α in
einer Gegenuhrzeigerrichtung lässt
die Welle in einer Position, die durch die gestrichelte Welle 122 gezeigt ist. Das Schwenken der Welle 12 von
der zentralen Position in einer Uhrzeigerrichtung platziert dieselbe
an der Position, die durch die Welle 123 angezeigt
ist. Der Punkt des engsten Kontakts der Welle 12 in den
Positionen 121 , 122 und 123 ist als Kontaktpunkte C1,
C2 bzw. C3 angezeigt.
Während
die Welle zwischen den Positionen 123 und 122 geschwenkt wird, definieren die Punkte des
engsten Kontakts C einen Ort L des engsten Kontakts (d. h. kürzesten
Abstands) zwischen der Welle 12 und der geometrischen Mitte
P. Die Gesamtlänge
der universalen Kopplung 24 kann im Wesentlichen konstant
gehalten werden für
einen Bereich von Schwenkwinkeln plus oder minus α der Schwenkachse 12A relativ
zu der Schwenkachse 14A, durch Sicherstellen, dass alle
Punkte entlang dem Ort L um den gleichen Abstand von dem Schwenkpunkt
P entfernt bleiben. Dies wird erreicht durch Ausnehmen oder anderweitiges
Formen der Oberfläche 26 des
Elements 10 an der Wurzel des Schlitzes 20 in
entgegengesetzten Richtungen von dem Mittelpunkt der Länge des
Schlitzes 20. Die Oberfläche 26 wird ausgenommen,
um eine zusammengesetzte Form aufzuweisen, die einen zentralen konvexen
Oberflächenabschnitt 28 und
zwei gegenüberliegende
konkave Oberflächenabschnitte 30 und 32 aufweist
(siehe 3). Der zentrale konvexe Oberflächenabschnitt 28 ist
von einer Form oder einem Profil, das mit dem Ort L zusammenfällt. Die Oberflächenabschnitte 28, 32 und 30 sind
fortlaufend und glatt gebildet. Die konkaven Oberflächenabschnitte 30 und 32 nehmen
Abschnitte der Welle 12 auf, wenn dieselbe in den geschwenkten
Positionen 122 bzw. 123 sind.
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Wenn
die Oberfläche 26 planar
wäre, ist
klar, dass das Schwenken der Welle 12 zu den Positionen 122 oder 123 durch
eine lineare Bewegung der Welle 12 weg von der geometrischen
Mitte P begleitet würde,
weil eine Welle nach außen
gegen die planare Oberfläche
gehebelt würde.
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Die
Oberfläche 34 des
Elements 10 auf gegenüberliegenden
Seiten der Zunge 22 wird ausgenommen oder anderweitig geformt,
auf ähnliche
Weise wie die Oberfläche 26,
so dass die Welle 14 geschwenkt wird um plus und minus α° von einer
Mittellinie, an der die Achsen 14A und 12A zusammenfallen,
wobei der Abstand von einem Ort des engsten Kontakts der Welle 14 zu
dem Schwenkpunkt P konstant bleibt. Die Oberfläche 34 auf gegenüberliegenden
Seiten des Vorsprungs 22 umfasst einen zentralen konvexen
Abschnitt 36 und aneinandergrenzende konkave Abschnitte 38 und 40 auf
gegenüberliegenden
Seiten desselben. Der konvexe Abschnitt 36 hat eine Form
oder ein Profil, das einem Ort des konstanten Abstands zwischen
dem Punkt des engsten Kontakts der Welle 14 und der geometrischen
Mitte P für
die Welle 14 entspricht, die zwischen plus und minus α° von seiner
zentralen Position schwenkt.
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Durch
geeignetes Bearbeiten oder Ausnehmen der Oberflächen 26 und 34 können die
Rotationsachsen 12A und 14A von der zentralen
Position um etwa 25° bis
30° in entgegengesetzten
Richtungen geschwenkt werden, ohne die Gesamtlänge der Kopplung 24 zu
beeinträchtigen.
Somit kann ein einzelnes Element 10 eine universale Kopplung
liefern, bei der eine Welle in einem Kegel von 50° bis 60° schwenken
kann.
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Während der
Schlitz 20 und der Vorsprung 22 in zueinander
orthogonalen Ebenen sind, ist der Antrieb 10 in der Tat
beschränkt,
um sich durch die Wellen 12 und 14 um den Schwenkpunkt
P zu drehen. Somit gibt es keinen Bedarf, dass Lager oder andere
Vorrichtungen vorgesehen sind, um das Antriebselement 10 in
Position zu halten. Dies minimiert Leistungsverlust durch Reibung.
Trotzdem wird in Betracht gezogen, dass in der Praxis eventuell
ein Anordnungsring (der aus einem selbst-schmierenden Material,
z. B. Nylon hergestellt ist), oder ein Lager vorgesehen sind, mit
einem Spiel um das Antriebselement 10. Bei schwerer Last
und/oder hoher RMP-Anwendung wird empfohlen, dass ein Lager verwendet
wird.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung, das in 6 und 7 gezeigt
ist, wird ein flexibler artikulierter Antrieb 42 gebildet durch
Ineinandergreifen einer Anzahl von Antriebselementen 10 in
einem flexiblen Gehäuse,
wie z. B. einer Röhre 44,
und durch Liefern von Drehmoment eingangs- und Drehmomentausgangswellen 46 und 48 jeweils
an jedem Ende der Röhre 44.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
greift ein erstes der Antriebselemente 10A mit einer Zunge 50 der
Drehmomenteingangswelle 10A ineinander, und zumindest eines
der Antriebselemente 10N greift mit einer Zunge 52 der
Drehmomentausgangswelle 48 ineinander. Weil jedes Antriebselement 10 relativ
zu einem benachbarten Antriebselement um etwa 25–30° schwenken kann, ohne Änderung
bei der Beabstandung zwischen denselben, kann die flexible Röhre gekrümmt oder
anderweitig verzogen sein um feste, variable und für mehrere
Radien, ohne eine wesentliche Änderung
bei der Beabstandung zwischen den gegenüberliegenden Endelementen zu
bewirken. Für höchste Effizienz
wird in Betracht gezogen, dass der flexible artikulierte Antrieb 42 nach
wie vor ein Vorspannungselement oder eine andere Einrichtung an einem
oder beiden Enden umfasst, für
eine Feineinstellung des Spiels zwischen den Antriebselementen 10.
Die Drehmomenteingangs- und -ausgangswellen 46, 48 sind
drehbar in jeweiligen Hülsen 54 und 56 gehalten,
die auf Gewinde 58 und 60 geschraubt sind, die
an gegenüberliegenden
Enden des Rohrs 44 vorgesehen sind. Das Ineinandergreifen
von zwei der Antriebselemente 10A und 10B in dem
Rohr 42 ist hauptsächlich
deutlich in 7 gezeigt. Die Antriebselemente 10A und 10B und
in der Tat alle Elemente 10 sind von identischer Form,
Konfiguration und Betrieb, wie die in 1–5 gezeigten
Elemente. Der Vorsprung 22 des Elements 10A wird
in dem Schlitz 20 des Elements 10B aufgenommen.
Die Elemente 10A und 10B können relativ zueinander schwenken,
ohne die Beabstandung zwischen denselben, für einen vorbestimmten Bereich
von Schwenkwinkeln auf analoge Weise, wie es oben in Bezug auf die
Ausführungsbeispiele
von 1 und 5 beschrieben ist. Wenn sich
die Elemente drehen, können
dieselben auch relativ zueinander gleiten in Richtungen transversal
zu ihren Rotationsachsen, aufgrund der inhärenten Art des Vorsprung-In-Schlitz-Ineinandergreifens.
Diese Gleitbewegung ist in den Ebenen, die die Schlitze 20 und Vorsprünge 22 der
benachbarten ineinandergreifenden Elemente 10 enthalten.
Dadurch ent steht eine Oszillationsbewegung des Elements 10,
wenn das Drehmoment von der Eingangswelle 46 zu der Ausgangswelle 48 übertragen
wird.
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Nachdem
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
beschrieben wurde, ist es für
Fachleute auf diesem Gebiet klar, dass zahlreiche Modifikationen
und Variationen durchgeführt
werden können,
ohne von den grundlegenden erfindungsgemäßen Konzepten abzuweichen.
Beispielsweise ist das Antriebselement 10 so gezeigt, dass
es einen Schlitz 20 und einen Vorsprung 22 enthält. Abhängig von
der Art des Bauglieds, das mit dem Antriebselement 10 gekoppelt
ist, kann das Antriebselement 10 entweder zwei Vorsprünge 22 oder
zwei Schlitze 20 in zueinander orthogonalen Ebenen umfassen.
Es wird auch davon ausgegangen, dass das Element 10 nicht
notwendigerweise eine allgemeine Kugelform haben muss. Außerdem kann
das Antriebselement 10 entweder fest sein (beispielsweise
durch Druckgießen
oder durch Bearbeiten einer festen Kugel aus Material geformt sein)
oder kann alternativ hohl sein. Bei noch einer weiteren Modifikation
wird davon ausgegangen, dass die Schlitze 20 und Vorsprünge 22 nicht
notwendigerweise zueinander orthogonal sein müssen. Statt dessen können dieselben
winklig versetzt sein durch Winkel von weniger als 90°. Wenn die
Elemente 10 in einem Zug angeordnet sind, wie z. B. in 6,
kann es für
die Schlitze 20 und Vorsprünge 22 bevorzugt werden,
dass dieselben um etwa 60° versetzt
sind anstatt 90°,
um die Schwankungen bei der Drehbeschleunigung und Verlangsamung
der Elemente auszugleichen, während
sich dieselben drehen. Diesbezüglich
ist anzumerken, dass, wenn sich die Elemente 10 drehen,
dieselben fortlaufend beschleunigen und verlangsamen auf eine Weise,
die etwas ähnlich
ist wie ein universales Gelenk. Durch Versetzen des Winkels zwischen
den Schlitzen 20 und Vorsprüngen 22 in einem Zug
von Elementen 10 werden die Elemente zu unterschiedlichen
Zeiten beschleunigen und verlangsamen, und dadurch alle „Unebenheiten" in dem Zug als Ganzes ausgleichen.
Der Versatz kann abhängig
von der Anzahl von Elementen 10 in dem Zug variieren.