WO1998050707A1 - Hydrostatisches gelenk - Google Patents

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WO1998050707A1
WO1998050707A1 PCT/CH1998/000176 CH9800176W WO9850707A1 WO 1998050707 A1 WO1998050707 A1 WO 1998050707A1 CH 9800176 W CH9800176 W CH 9800176W WO 9850707 A1 WO9850707 A1 WO 9850707A1
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socket
ball
pin
hydrostatic
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Oliver Zirn
Guido Baldini
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Mikron S.A. Agno
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0662—Details of hydrostatic bearings independent of fluid supply or direction of load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/04—Pivotal connections
    • F16C11/06—Ball-joints; Other joints having more than one degree of angular freedom, i.e. universal joints
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    • F16C11/06—Ball-joints; Other joints having more than one degree of angular freedom, i.e. universal joints
    • F16C11/0619—Ball-joints; Other joints having more than one degree of angular freedom, i.e. universal joints the female part comprising a blind socket receiving the male part
    • F16C11/0623—Construction or details of the socket member
    • F16C11/0647—Special features relating to adjustment for wear or play; Wear indicators

Definitions

  • Ball joints have long been used in technology for a wide variety of purposes wherever joints with more than one degree of rotation are required. Depending on the intended use, different types of ball joints have been developed that have different properties to meet very specific requirements.
  • Ball joint with magnetic bias according to the present invention, in which the magnetic excitation is brought about by an electromagnet.
  • Figure 1 shows a cross section through the center of a hydrostatic ball joint 14 with magnetic bias according to the present invention, in which the magnetic excitation is effected by a permanent magnet 2.
  • the ball joint 14 has a spherical head-shaped joint pin 1, which is mounted in a joint socket 12 with a spherical cup-shaped shell shape.
  • a first connecting rod 10 is fastened to the pivot pin 1 in order to connect a first part (not shown) arranged at the other end of the connecting rod in an articulated manner via the ball joint 14 to a second part (not shown) which is connected by means of a second connecting rod (not shown) the socket 12 is attached.
  • the ball joint 14 shown permits joint movements with three degrees of freedom of rotation - tilting movements left / right and forward / backward, rotation about the connecting rod 10.
  • the ball joint 14 also has means 5, 7, 8 for the hydrostatic mounting of the joint pin 1 in the joint socket 12.
  • Hydraulic fluid which is pressurized outside the joint 14, for example by means of a pump (not shown), is conveyed through the feeds 7 into the pockets 5 and from there into the narrow gap between the pivot pin 1 and the socket 12.
  • the feeds 7 also serve as a pre-throttle for the hydrostatic bearing.
  • the pockets 5 serve to ensure that sufficient hydraulic fluid can always flow in under dynamic loads and unavoidable leakages to compensate for the fluid losses.
  • the hydraulic fluid is via the return 8), which is connected to the cylindrical air gap 6 mentioned further below between the two magnetic flux guide pieces 3, 4, is returned from the ball joint 14 to the pump (not shown).
  • the pressurized hydraulic fluid ensures that a narrow, spherical cap-shaped gap between the socket 12 and the pivot pin 1 is always maintained, which is filled with hydraulic fluid, so that even with a large joint load, a functioning lubrication is ensured even when the joint 14 is at rest, so that neither large starting forces are required at the start of the joint movement nor excessive wear of the joint 14 takes place.
  • the ball joint 14 shown in FIG. 1 also has means 2, 3, 4 for pretensioning the joint 14 in order to achieve an essentially play-free hydrostatic mounting of the joint pin 1 in the joint socket 12.
  • the pretensioning of the joint 14 is effected by magnetic frictional connection.
  • an annular permanent magnet 2 is arranged in the joint socket 12.
  • the magnetic field is conducted from the two magnetic poles at the top and bottom of the ring via separate flux guide pieces 3, 4 made of magnetically conductive material, which form an integral part of the socket in the illustrated embodiment of the invention, to the spherical cap-shaped gap between the socket 12 and the joint pin 1.
  • the two flux guide pieces 3, 4 are separated from one another by a cylindrical air gap which is sufficiently wide for the magnetic insulation.
  • the diameter of the pivot pin 1 was approximately 50 mm, the width of the cylindrical air gap between the two flow guide pieces 3, 4 approximately 1 to 2 mm and the width of the spherical cap-shaped gap between the socket 12 and the pivot pin 1 approximately 10 to 50 ⁇ m.
  • the thickness of the annular permanent magnet 2 was in the range of a few mm. With this arrangement, area-related attractive forces in the range from 400 to 600 kN / m 2 were achieved without field compression.
  • the spherical cap-shaped free surface area present in the illustrated embodiment with a size of at least half the spherical surface proves to be an additional advantage in particular in the construction and assembly of the joint 14.
  • an electromagnet 2 ' is used instead of the annular permanent magnet 2 from FIG. 1 to generate the magnetic field.
  • the return 8 'of the hydraulic fluid and the feeds 7' of the hydraulic fluid are adapted to the changed shape of the magnet, the other structural elements of the joint 14 'are essentially the same as the corresponding structural elements of the joint 14 shown in FIG. 1
  • Embodiment of the invention shown can achieve surface-related attractive forces in the range from 1300 to 2100 kN / m 2 without field compression.
  • the present invention provides a joint which is characterized at the same time by great freedom of movement, high precision and rigidity, long service life, low maintenance and essentially no play and is therefore suitable for parallel kinematics.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Gelenk (14) mit einer Gelenkpfanne (12) zur gelenkigen Lagerung eines Gelenkzapfens (1), Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens (1) in der Gelenkpfanne (12) und Mitteln (2, 3, 4) zum Vorspannen des Gelenks (14), um eine im wesentlichen spielfreie hydrostatische Lagerung des Gelenkzapfens (1) in der Gelenkpfanne (12) zu erreichen. Die Vorspannmittel (2, 3, 4) gewähren eine hohe Präzision und Steifigkeit sowie im wesentlichen Spielfreiheit und die Mittel (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung sorgen für eine hohe Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand für das erfindungsgemässe Gelenk (14). Vorzugsweise ist das Gelenk (14) als Kugelgelenk (14) ausgebildet und bewirken die Vorspannmittel (2, 3, 4) das Vorspannen des Gelenks (14) durch magnetischen Kraftschluss, damit eine besonders grosse Bewegungsfreiheit des Gelenks (14) erreicht wird. Dadurch ist das Gelenk (14) besonders geeignet für Anwendungen bei parallelen Kinematiken.

Description

Hydrostatisches Gelenk
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydrostatisches Gelenk. Insbesondere betrifft die Erfindung ein hydrostatisches Gelenk, das besonders für den Einsatz bei parallelen kinematischen Strukturen für Werkzeugmaschinen geeignet ist. Stand der Technik
Für den Einsatz bei sogenannten parallelen Kinematiken (parallelen kinematischen Strukturen) für Werkzeugmaschinen und Roboter, wie sie z.B. in "Parallele Kinematik und Linearmotoren, TR Transfer Nr. 25, 1996" beschrieben werden, sind Gelenke erforderlich, die sehr hohe und zum Teil gegensätzliche Anforderungen erfüllen müssen. Wegen den in den meisten Anwendungen erforderlichen mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden der Gelenke wurden bisher bevorzugt Kugelgelenke für parallele Kinematiken eingesetzt.
Kugelgelenke werden in der Technik seit langem für die verschiedensten Zwecke überall dort eingesetzt, wo Gelenke mit mehr als einem Rotationsfreiheitsgrad erforderlich sind. Je nach Verwendungszweck wurden verschiedene Kugelgelenktypen entwickelt, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, um ganz bestimmte Anforderungen zu erfüllen.
Zur Verminderung des Gelenkspiels ist es bekannt, die Kugelgelenke mit Mitteln zum Vorspannen zu versehen. So wird z.B. in der US 3 802 789 (Columbus Auto Parts Company) ein Kugelgelenk für die Aufhängung eines Automobils offenbart, das zur mechanischen Vorspannung des Gelenks kompressible Kunststoffteile zwischen dem Kugelkopf und der Kugelpfanne aufweist. Durch die grosse Elastizität der Kunststoffteile wird einerseits die Vorspannung des Gelenks sogar noch nach einem gewissen Verschleiss (nach langjährigem Gebrauch) gewährleistet, andrerseits aber die Präzision und die Steifigkeit beeinträchtigt.
Für Prüfeinrichtungen z.B. bei Achs- und Karosserieprüfständen ist eine grössere Präzision und eine grössere Steifigkeit erforderlich, als sie mit Kugelgelenken gemass US 3 802 789 erreichbar sind. EP 114 327 (Carl Schenck AG) offenbart ein Kugelgelenk, das den Anforderungen an erhöhte Präzision und Steifigkeit für Prüfeinrichtungen im Fahrzeugbau gerecht wird. Durch die Verwendung von Klemmelementen, mit denen zwei Lagerschalen gegeneinander beziehungsweise gegen einen Kugelkopf verspannbar sind, und die zusätzliche Verwendung von Entlastungs- und/oder Loseelementen wird ein relativ steifes und präzises Kugelgelenk mit einer mechanischen Vorspannung erreicht, wobei das Gelenkspiel leicht einstellbar und nachstellbar ist. Das Kugelgelenk gemass EP 114 327 ist jedoch nicht für einen langen wartungsfreien Betrieb geeignet, da das Gelenkspiel nach einigem Gebrauch jeweils nachgestellt werden muss. Zudem sind die Anfahrkräfte beim Beginn der Gelenkbewegung, insbesondere wenn ein kleines Gelenkspiel eingestellt ist, beträchtlich.
Bei bestimmten Anwendungen ist ein Kugelgelenk erforderlich, das trotz einer grossen Gelenklast bereits im Ruhezustand des Gelenks eine funktionierende Schmierung gewährleistet, damit bei Beginn der Gelenkbewegung weder grosse Anfahrkräfte erforderlich sind noch ein übermässiger Verschleiss des Gelenks stattfindet. Dieses
Erfordernis wird am besten durch ein hydrostatisches Kugelgelenk erfüllt, bei dem der
Druck des Schmiermittels ausserhalb des Gelenks z.B. mit einer Pumpe erzeugt wird und dem Gelenk das unter Druck gesetzte Schmiermittel zugeführt wird. So wird in
"Meerestechnik, Band 12 (1981), Heft 6, s. 151 - 156" ein hydrostatisches Kugelgelenk für die gelenkige Befestigung eines Stahlbetonturms an einem Fundament im
Meeresboden beschrieben. Der Vorteil der funktionierenden Schmierung unter Last bereits im Ruhezustand muss bei hydrostatischen Gelenken allerdings durch einen konstruktiven Mehraufwand erkauft werden.
Sämtliche der oben erwähnten bekannten Kugelgelenke mit mechanischer Vorspannung weisen den für bestimmte Anwendungen wesentlichen Nachteil auf, dass ihre Bewegungsfreiheit durch die Konstruktionsbedingungen der mechanischen Vorspanneinrichtungen erheblich eingeschränkt ist. Deshalb werden für Anwendungen, wo eine grosse Bewegungsfreiheit der Kugelgelenke wichtiger ist als eine möglichst grosse Spielfreiheit oder eine optimale Schmierung bereits im Ruhezustand, magnetische Gleitkugelgelenke angewendet. So wird z.B. in "Trudy 19. ctenij, posvijasc. razrab. nauc. nasledija i razvitiju idej K.E. Ciolkovkogo, (1986) 19, 2, 103 - 104" ein magnetisches Kugelgelenk beschrieben, das besonders zur Lösung von Fixierungsproblemen in der Weltraumtechnologie geeignet ist.
Bisher wurde versucht, die gegensätzlichen Anforderungen für die Anwendung bei parallelen Kinematiken mit mechanisch vorgespannten Kugelgelenken oder mit magnetischen Gleitkugelgelenken zu erfüllen, was bei den ersteren aufgrund mangelnder Bewegungsfreiheit und bei den letzteren aufgrund hoher Reibung und Verschleiss nicht zu befriedigenden Resultaten führte. Deshalb wurden auch kardanische Gelenke, bestehend aus einer seriellen Verkettung von mechanisch vorgespannten Wälzlagern, zu diesem Zwecke eingesetzt. Dies hat sich allerdings aufgrund mangelnder Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Lebensdauer nicht bewährt.
Das Fehlen von geeigneten Gelenken trägt wesentlich dazu bei, dass parallele Kinematiken - trotz den bekannten Vorteilen gegenüber seriellen Kinematiken in Bezug auf Beschleunigungsvermögen und Präzision - bisher im Werkzeugmaschinenbau keine grössere Verwendung gefunden haben.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines für parallele Kinematiken geeigneten Gelenks, das sich gleichzeitig durch eine grosse Bewegungsfreiheit, eine hohe Präzision und Steifigkeit, eine hohe Lebensdauer, einen geringen Wartungsaufwand und im wesentlichen Spielfreiheit auszeichnet.
Die Lösung der Aufgabe ist Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Zur Lösung der Aufgabe umfasst das erfindungsgemässe Gelenk eine Gelenkpfanne zur gelenkigen Lagerung eines Gelenkzapfens, Mittel zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens in der Gelenkpfanne und zusätzlich Mittel zum Vorspannen des Gelenks, um eine im wesentlichen spielfreie hydrostatische Lagerung des Gelenkzapfens in der Gelenkpfanne zu erreichen. Die Vorspannmittel gewähren eine hohe Präzision und Steifigkeit sowie im wesentlichen Spielfreiheit und die Mittel zur hydrostatischen Lagerung sorgen für eine hohe Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand für das erfindungsgemässe Gelenk.
Vorzugsweise weist die Gelenkpfanne eine kugelkalottenförmige Schalenform und der Gelenkzapfen eine kugelkalottenförmige Kugelkopfform auf, wobei der Gelenkzapfen enganliegend in die Gelenkpfanne passend ausgebildet ist, so dass das Gelenk ein Kugelgelenk bildet, welches Gelenk- oder Kippbewegungen mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden zulässt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Kugelgelenk einen kugelkalottenförmigen freien Oberflächenbereich des Gelenkzapfens, der mindestens die Ausdehnung von einem Drittel der Kugeloberfläche aufweist und der weder von der
Gelenkpfanne noch von den Mitteln zur hydrostatischen Lagerung noch von den
Vorspannmitteln bedeckt ist, damit das Kugelgelenk über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden frei bewegbar ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der kugelkalottenförmige freie Oberflächenbereich des Gelenkzapfens die Grosse von mindestens einer Hälfte der Kugeloberfläche aufweist. Vorzugsweise weist der freie Oberflächenbereich des Gelenkzapfens sogar eine Ausdehnung von mindestens zwei Dritteln der Kugeloberfläche auf, damit eine besonders grosse Bewegungsfreiheit des Gelenks erreicht wird.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Gelenkpfanne die Form eines Rohrabschnitts mit Längsschlitz und kreisförmigem Querschnitt und der Gelenkzapfen die Form eines kreisförmigen Achsabschnitts auf, wobei der Gelenkzapfen enganliegend in die Gelenkpfanne passend ausgebildet ist, so dass das Gelenk ein Scharniergelenk bildet, welches Gelenk- oder Kippbewegungen mit einem Rotationsfreiheitsgrad zulässt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Vorspannmittel Mittel für eine magnetische Erregung zum Vorspannen des Gelenks auf, damit das Gelenk durch magnetischen Kraftschluss vorgespannt wird. Mit den magnetischen Vorspannmitteln wird eine besonders grosse Bewegungsfreiheit des Gelenks erreicht. Vorzugsweise weisen die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Permanentmagneten auf. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Elektromagneten auf.
Als zusätzlicher Vorteil ermöglichen insbesondere die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die kugelkalottenförmige freie Oberfläche des Gelenkzapfens die Grosse von mindestens einer Hälfte der Kugeloberfläche aufweist, eine einfache Konstruktion und Montage des Gelenks.
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen nur als Beispiel für ein besseres Verständnis der Erfindung und ist nicht als Einschränkung des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert wird, aufzufassen. Für den Fachmann sind aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und der Gesamtheit der Patentansprüche weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen ohne weiteres erkennbar, die jedoch immer noch innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen stellen zwei bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das Zentrum eines hydrostatischen
Kugelgelenks mit magnetischer Vorspannung gemass der vorliegenden Erfindung, bei dem die magnetische Erregung durch einen
Permanentmagneten bewirkt wird; Fig. 2 einen Querschnitt durch das Zentrum eines hydrostatischen
Kugelgelenks mit magnetischer Vorspannung gemass der vorliegenden Erfindung, bei dem die magnetische Erregung durch einen Elektromagneten bewirkt wird.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 stellt einen Querschnitt durch das Zentrum eines hydrostatischen Kugelgelenks 14 mit magnetischer Vorspannung gemass der vorliegenden Erfindung dar, bei dem die magnetische Erregung durch einen Permanentmagneten 2 bewirkt wird. Das Kugelgelenk 14 weist einen kugelkopfförmigen Gelenkzapfen 1 auf, der in einer Gelenkpfanne 12 mit kugelkalottenförmiger Schalenform gelagert ist. Am Gelenkzapfen 1 ist eine erste Verbindungsstange 10 befestigt, um ein am anderen Ende der Verbindungsstange angeordnetes erstes Teil (nicht dargestellt) über das Kugelgelenk 14 gelenkig mit einem zweiten Teil (nicht dargestellt) zu verbinden, das mittels einer zweiten Verbindungsstange (nicht dargestellt) an der Gelenkpfanne 12 befestigt ist. Das dargestellte Kugelgelenk 14 lässt Gelenkbewegungen mit drei Rotationsfreiheitsgraden - Kippbewegungen links/rechts und vorwärts/rückwärts, Drehung um die Verbindungsstange 10 - zu.
Das Kugelgelenk 14 weist weiter Mittel 5, 7, 8 zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens 1 in der Gelenkpfanne 12 auf. Durch die Zuführungen 7 hindurch wird Hydraulikflüssigkeit, die ausserhalb des Gelenks 14 z.B. mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) unter Druck gesetzt wird, in die Taschen 5 und von diesen in den engen Spalt zwischen dem Gelenkzapfen 1 und der Gelenkpfanne 12 hinein gefördert. Die Zuführungen 7 dienen gleichzeitig als Vordrossel für die hydrostatische Lagerung. Die Taschen 5 dienen dazu, dass bei dynamischen Belastungen und unvermeidlichen Leckagen stets genügend Hydraulikflüssigkeit nachströmen kann, um die Flüssigkeitsverluste auszugleichen. Die Hydraulikflüssigkeit wird über die Rückführung 8), die an den weiter hinten erwähnten zylindrischen Luftspalt 6 zwischen den beiden magnetischen Flussleitstücken 3, 4 angeschlossen ist, vom Kugelgelenk 14 zur Pumpe (nicht dargestellt) zurückgeführt. Die unter Druck gesetzte Hydraulikflüssigkeit sorgt dafür, dass stets ein enger, kugelkalottenförmiger Spalt zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 aufrechterhalten bleibt, der mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, wodurch selbst bei einer grossen Gelenklast bereits im Ruhezustand des Gelenks 14 eine funktionierende Schmierung gewährleistet ist, damit bei Beginn der Gelenkbewegung weder grosse Anfahrkräfte erforderlich sind noch ein übermässiger Verschleiss des Gelenks 14 stattfindet.
Das in Figur 1 dargestellte Kugelgelenk 14 weist weiter Mittel 2, 3, 4 zum Vorspannen des Gelenks 14 auf, um eine im wesentlichen spielfreie hydrostatische Lagerung des Gelenkzapfens 1 in der Gelenkpfanne 12 zu erreichen. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird das Vorspannen des Gelenks 14 durch magnetischen Kraftschluss bewirkt. In der Gelenkpfanne 12 ist zu diesem Zweck ein ringförmiger Permanentmagnet 2 angeordnet. Das Magnetfeld wird von den beiden Magnetpolen oben und unten am Ring über getrennte Flussleitstücke 3, 4 aus magnetisch leitfähigem Material, die bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung einen integralen Teil der Gelenkpfanne bilden, zum kugelkalottenförmigen Spalt zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 geleitet. Die beiden Flussleitstücke 3, 4 sind durch einen für die magnetische Isolation genügend breiten zylindrischen Luftspalt voneinander getrennt. Das Verhältnis zwischen der Breite des kugelkalottenförmigen Spaltes zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 einerseits und der Breite des zylindrischen Luftspaltes zwischen den beiden Flussleitstücken 3, 4 andrerseits muss so gewählt werden, dass einerseits ein Magnetfluss über den kalottenförmigen Spalt stattfindet, um den magnetischen Kreis vom einen Pol des Permanentmagneten über das eine Flussleitstück 3, den Gelenkzapfen 1 und das andere Flussleitstück 4 zum anderen Pol des Permanentmagneten zu schliessen, und andrerseits eine ausreichende magnetische Isolation zwischen den beiden Flussleitstücken 3, 4 gewährleistet ist. Für die dargestellte Ausführungsform hat sich ein Breitenverhältnis in der Grössenordnung von 1/20 als günstig erwiesen.
Bei konkreten Ausführungsformen gemass dem in Figur 1 dargestellten Kugelgelenk betrug der Durchmesser des Gelenkzapfens 1 ungefähr 50 mm, die Breite des zylindrischen Luftspaltes zwischen den beiden Flussleitstücken 3, 4 ungefähr 1 bis 2 mm und die Breite des kugelkalottenförmigen Spaltes zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 ungefähr 10 bis 50 μm. Die Dicke des ringförmigen Permanentmagneten 2 lag im Bereich von einigen mm. Mit dieser Anordnung wurden ohne Feldverdichtung flächenbezogene Anziehungskräfte im Bereich von 400 bis 600 kN/m2 erreicht.
Mittels Feldverdichtung - d.h., wenn die Konstruktion so gewählt wird, dass die Oberfläche des Permanentmagneten senkrecht zur Flussrichtung grösser als die halbe Oberfläche der Kugelkalotte zwischen der Gelenkpfanne 12 und dem Gelenkzapfen 1 ist - lassen sich bei vertretbarem Aufwand flächenbezogene Anziehungskräfte im Bereich von 1300 bis 2100 kN/m2 erreichen.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Kugelgelenk sind sämtliche Konstruktionselemente der Gelenkpfanne 12), der Mittel 5, 7, 8 zur hydrostatischen Lagerung und der Vorspannmittel 2, 3, 4 gegenüber der unteren Kugelhälfte des kugelförmigen Gelenkzapfens 1 angeordnet. Dadurch ist ein kalottenförmiger Bereich der Oberfläche des Gelenkzapfens 1), der etwas grösser ist als die obere Kugelhälfte des Gelenkzapfens 1), frei von jeglichen gegenüberliegenden Konstruktionselementen des Kugelgelenks 14). Somit kann - bei Vernachlässigung des Durchmessers der Verbindungsstange 10 - der Gelenkzapfen 1 mit der daran befestigten Verbindungsstange 10 mit zwei Rotationsfreiheitsgraden frei über einen Raumwinkelbereich gekippt werden, der grösser als 2π ist. Der bei der dargestellten Ausführungsform vorhandene kugelkalottenförmige freie Oberflächenbereich mit einer Grosse von mindestens der Hälfte der Kugeloberfläche erweist sich insbesondere bei der Konstruktion und Montage des Gelenks 14 als zusätzlicher Vorteil. Bei dem in Figur 2 dargestellten Kugelgelenk wird zur Erzeugung des Magnetfeldes anstelle des ringförmigen Permanentmagneten 2 aus Figur 1 ein Elektromagnet 2' eingesetzt. Die Rückführung 8' der Hydraulikflüssigkeit und die Zuführungen 7' der Hydraulikflüssigkeit sind an die veränderte Form des Magneten angepasst, die übrigen Konstruktionselemente des Gelenks 14' sind im wesentlichen gleich wie die entsprechenden Konstruktionselemente des in Figur 1 dargestellten Gelenks 14. Durch die in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung lassen sich ohne Feldverdichtung flächenbezogene Anziehungskräfte im Bereich von 1300 bis 2100 kN/m2 erreichen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die vorliegende Erfindung ein Gelenk bereitgestellt wird, das sich gleichzeitig durch eine grosse Bewegungsfreiheit, eine hohe Präzision und Steifigkeit, eine hohe Lebensdauer, einen geringen Wartungsaufwand und im wesentlichen Spielfreiheit auszeichnet und somit für parallele Kinematiken geeignet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Gelenk (14) mit einer Gelenkpfanne (12) zur gelenkigen Lagerung eines Gelenkzapfens (1) und Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens (1) in der Gelenkpfanne (12), gekennzeichnet durch Mittel (2, 3, 4) zum Vorspannen des Gelenks (14) zur Erreichung einer im wesentlichen spielfreien hydrostatischen Lagerung des Gelenkzapfens (1) in der Gelenkpfanne (12).
2. Gelenk (14) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für Gelenkbewegungen mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden die Gelenkpfanne (12) eine kugelkalottenförmige Schalenform und der Gelenkzapfen
(1) kugelkalottenförmige Kugelkopfform aufweisen, wobei der Gelenkzapfen (1) enganliegend in die Gelenkpfanne (12) passend ausgebildet ist, damit das Gelenk (14) ein Kugelgelenk (14) darstellt.
3. Kugelgelenk (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelkalottenförmiger Oberflächenbereich des Gelenkzapfens (1), der mindestens die Ausdehnung von einem Drittel der Kugeloberfläche aufweist, weder von der Gelenkpfanne (12) noch von den Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln (2, 3, 4) bedeckt ist, damit das Gelenk (14) über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegbar ist.
4. Kugelgelenk (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelkalottenförmiger Oberflächenbereich des Gelenkzapfens (1), der mindestens die Ausdehnung von einer Hälfte der Kugeloberfläche aufweist, weder von der Gelenkpfanne (12) noch von den Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln (2, 3, 4) bedeckt ist, damit das Gelenk (14) über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegbar ist.
5. Kugelgelenk (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelkalottenförmiger Oberflächenbereich des Gelenkzapfens (1), der mindestens die Ausdehnung von zwei Dritteln der Kugeloberfläche aufweist, weder von der
Gelenkpfanne (12) noch von den Mitteln (5, 7, 8) zur hydrostatischen Lagerung noch von den Vorspannmitteln (2, 3, 4) bedeckt ist, damit das Gelenk (14) über diesen Oberflächenbereich mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegbar ist.
6. Gelenk (14) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für Gelenk- oder Kippbewegungen mit einem Rotationsfreiheitsgrad die Gelenkpfanne (12) die Form eines Rohrabschnitts mit Längsschlitz und kreisförmigem Querschnitt und der Gelenkzapfen (1) die Form eines kreisförmigen Achsabschnitts aufweisen, wobei der Gelenkzapfen (1) enganliegend in die Gelenkpfanne (12) passend ausgebildet ist, damit das Gelenk (14) ein Scharniergelenk (14) darstellt.
7. Gelenk (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (2, 3, 4) Mittel für eine magnetische Erregung zum Vorspannen des Gelenks (14) durch magnetischen Kraftschluss aufweisen.
8. Gelenk (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Permanentmagneten (2) aufweisen.
9. Gelenk (14) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die magnetische Erregung mindestens einen Elektromagneten (2') aufweisen.
PCT/CH1998/000176 1997-05-01 1998-04-30 Hydrostatisches gelenk WO1998050707A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE29818062U DE29818062U1 (de) 1997-05-01 1998-04-30 Hydrostatisches Gelenk

Applications Claiming Priority (2)

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CH102297A CH692055A5 (de) 1997-05-01 1997-05-01 Hydrostatisches Gelenk.
CH1022/97 1997-05-01

Publications (1)

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PCT/CH1998/000176 WO1998050707A1 (de) 1997-05-01 1998-04-30 Hydrostatisches gelenk

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DE (1) DE29818062U1 (de)
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