DÄTIG, Andreas (Am Weiher 8, Kothen, 97786, DE)
Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 Herzogenaurach
Patentansprüche
1. Spreizbandmechanik zur übertragung von Zug- und Druckkräften sowie Biegemomenten, umfassend:
- ein Spreizband (01), welches in einem gestreckten Zustand ein Profil im Querschnitt aufweist, wobei das Spreizband (01) fortlaufend in einen Wickelzustand reversibel überführbar ist, in welchem das Spreizband (01) quer zur Längsrichtung flach ausgebildet ist; und - eine erste Rolle (02) zum Auf- und Abwickeln des Spreizbandes
(01 ); dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine zweite Rolle (04) um- fasst, auf welche ein Sekundärband (05) auf- und abwickelbar ist, wobei die erste und die zweite Rolle (02, 04) derart zueinander angeord- net sind, dass das Sekundärband (05) zusammen mit dem Spreizband
(01) auf die erste Rolle (02) auf- und abwickelbar ist, wobei die zweite Rolle (04) entgegengesetzt zur ersten Rolle (02) drehbar gelagert ist und sich bezogen auf die erste Rolle (02) auf der gegenüberliegenden Seite des Spreizbandes befindet, sodass das Sekundärband (05) auf die zweite Rolle (04) aufgewickelt wird, während das Spreizband (01) von der ersten Rolle (02) abgewickelt wird.
2. Spreizbandmechanik nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Rolle (02, 04) an zumindest jeweils einer ihrer beiden Seitenscheiben (07) eine Verzahnung aufweisen, wobei diese Verzahnungen ineinander eingreifen.
3. Spreizbandmechanik nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Rolle (02, 04) unabhängig voneinander antreibbar und synchronisierbar sind.
4. Spreizbandmechanik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch αe- kennzeichnet, dass das Sekundärband ein steifes, im Querschnitt flaches Metallband (05) ist.
5. Spreizbandmechanik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (05) in etwa die selbe Breite wie das Spreizband (01) in seinem flachen aufgewickelten Zustand aufweist.
6. Spreizbandmechanik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Rollen (02, 04) motorisch zu einer Rotation antreibbar ist.
7. Spreizbandmechanik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spreizband (01) aus einem elastischen Metall oder einem elastischen Kunststoff besteht.
8. Spreizbandmechanik nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spreizband (01) bei Einwirkung eines Biegemomentes aus dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand wechselt, wobei das einwirkende Biegemoment größer als ein überführungsbie- gemoment ist.
9. Spreizbandmechanik nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spreizband (01) im Wickelzustand breiter als im gestreckten Zustand ist. |
Bezeichnung der Erfindung
Spreizbandmechanik mit Rollenführung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Spreizbandmechanik mit einer verbesserten Führung des Spreizbandes. Spreizbandmechaniken werden als Maschinenelement in der Antriebstechnik genutzt.
Eine Spreizbandmechanik ermöglicht eine übertragung von Zug- und Druckkräften sowie Biegemomenten in begrenztem Umfang durch profilierte Metallbänder. Dabei wird die Steifigkeitseigenschaft eines quer zur Wickelrichtung gewölbten Metallbandes ausgenutzt, sodass damit im Unterschied zu den bekannten Zugmittelgetrieben mit Metallbändern sowohl Zug- als auch Druckkräfte in Längsrichtung des Bandes übertragen werden können. Um diese Kräfte auf die Antriebsrollen zu übertragen, wird die Eigenschaft der Breitenänderung eines gewölbten Bandes benutzt, das im aufgewickelten Zustand seine gesamte Breite einnimmt, während es im ausgewickelten und dann im Querschnitt gewölbten Zustand schmaler ist. Diese änderung in der Breite wird dazu verwendet, das Band zwischen die Seitenscheiben (Borde) der Antriebsrolle zu klemmen, womit eine kraft- und gegebenenfalls formschlüssige Verbindung hergestellt wird.
In seiner Grundstruktur besteht ein Spreizbandmodul aus einer Rolle und einem Band und verfügt bei einer rotatorisch gelagerten, angetriebenen Rolle über zwei Bewegungsfreiheiten in einer Ebene. Kräfte können über diese Grundstruktur lediglich in Längsrichtung des Bandes, Momente ausschließ- lieh senkrecht zur Längsrichtung des Bandes und zur Achsrichtung der Rolle übertragen werden. Durch die Kombination mehrerer Spreizbandmodule, die als Gelenk-Glied-Kombination Antriebs- und Führungsglied vereinigen, zu Parallelkinematiken können sehr kompakte Roboter aufgebaut werden. Diese zeichnen sich durch ein sehr gutes Verhältnis von Arbeitsraum zu Bau- räum sowie einen vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau aus.
Nachteilig an Spreizbandmechaniken ist die hohe Belastung, der das Metallband während des überganges vom aufgewickelten in den ausgewickelten gestreckten Zustand ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere durch die notwen- dige Einklemmung des Spreizbandes zwischen die beiden Seitenscheiben der Antriebsrolle gegeben.
Es sind Spreizbandmechaniken bekannt, bei denen die Seitenscheiben der Antriebsrolle in Umfangsrichtung eine Profilierung aufweisen und gezielt vor- gespannt sind. Hierdurch sollen die Belastungen des Spreizbandes reduziert werden und die Kraftübertragung effizienter und genauer ermöglicht werden. Jedoch sind auch bei dieser Lösung die Belastungen des Spreizbandes sehr hoch. Das Verschleißverhalten einer solchen Lösung ist bislang nicht bekannt. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass eine sehr ge- naue Fertigung der Seitenflächen des Spreizbandes erforderlich ist, um eine verbesserte Kraftübertragung zu ermöglichen. Eine erhöhte Positioniergenauigkeit kann nur durch aufwändige Regelungstechnik erzielt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesser- te Spreizbandmechanik zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Beanspruchung des Spreizbandes insbesondere beim übergang vom aufgewickelten in den ausgewickelten gestreckten Zustand deutlich gesenkt ist und gleich-
zeitig eine effizientere und genauere Kraftübertragung ermöglicht ist. Die verbesserte Spreizbandmechanik soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit, eine hohe Langlebigkeit und einen gesenkten Fertigungs- und Wartungsaufwand auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch eine Spreizbandmechanik gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik umfasst zunächst ein Spreiz- band, welches von einem gestreckten Zustand reversibel in einen Wickelzustand überführt werden kann. Im gestreckten Zustand weist das Spreizband ein Profil im Querschnitt auf. Hierdurch ist das Spreizband zur Aufnahme von Biegemomenten geeignet. Ist ein Teil des Spreizbandes jedoch in den Wickelzustand überführt worden, so hat dieser Teil des Spreizbandes sein Pro- fil im Wesentlichen verloren. Dieser Teil des Spreizbandes ist daher im Querschnitt flach ausgebildet. Diese überführung kann fortlaufend erfolgen, sodass das Spreizband bezogen auf seine Längsrichtung stetig in den Wickelzustand überführt werden kann. Diese überführung ist reversibel, sodass das Spreizband jederzeit wieder zurück in den gestreckten Zustand überführ- bar ist, in welchem es wieder das Profil aufweist. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik weist weiterhin eine erste Rolle (Aufwickelrolle) zum Aufrollen und Abrollen des Spreizbandes auf. Derjenige Abschnitt des Spreizbandes, welcher sich zwischen der Aufwickelrolle und dem gestreckten Teil des Spreizbandes befindet, erfährt ein Biegemoment, durch welches das Spreizband an dieser Position von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand überführt wird. Hierdurch verliert es sein Profil und wird im Querschnitt flach. Das flache Spreizband ist nun elastisch genug, um auf der Aufwickelrolle aufgerollt zu werden. Diese überführung erfolgt in umgekehrter Richtung, wenn das Spreizband von der Aufwickelrolle abgerollt wird. Auf der Aufwickelrolle können große Längen des Spreizbandes auf kleinem Raum vorgehalten werden. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik weist schließlich mindestens eine zweite Rolle (Sekundärrolle) auf, auf wel-
che ein steifes, im Querschnitt vorzugsweise nicht profiliertes Sekundärband auf- und abwickelbar ist. Die erste und die zweite Rolle sind erfindungsgemäß so zueinander angeordnet, dass das Sekundärband zusammen mit dem Spreizband auf die Aufwickelrolle auf- und abwickelbar ist. Die Sekun- därrolle ist entgegengesetzt zur Aufwickelrolle drehbar gelagert und befindet sich bezogen zur Aufwickelrolle auf der gegenüberliegenden Seite des Spreizbandes. Damit wird das Sekundärband auf die Sekundärrolle aufgewickelt, während das Spreizband von der Aufwickelrolle abgewickelt wird.
Das Sekundärband ist vorzugsweise ein herkömmliches Metall- oder Stahlband, kann aber je nach Anwendungsfall auch aus einem anderen Material vergleichbarer Steifigkeit bestehen. Als Sekundärband kann auch ein beschichtetes Metallband zum Einsatz kommen, was aus Gründen des Korrosionsschutzes zweckmäßig sein kann.
Durch die Verwendung einer zusätzlichen zweiten Rolle wird der hinsichtlich der Beanspruchung problematische Abwickelvorgang der ersten, das Spreizband tragenden Rolle indirekt in einen unproblematischen Aufwickelvorgang der zweiten Rolle umgewandelt. Die Aufwickelrolle dient hierbei als Spannrolle, die ein sauberes Abwickeln ermöglicht und die Sekundärrolle als Antriebsrolle. Beim Aufwickelvorgang wird das Sekundärband gemeinsam mit dem Spreizband auf die Aufwickelrolle aufgewickelt. Die Sekundärrolle fungiert als Antriebsrolle und als Träger des Sekundärbandes, während die Aufwickelrolle nun als Spannrolle arbeitet. Die beiden Rollen werden somit für die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen einmal als Antrieb und einmal als Spannrolle eingesetzt. Bei der auf diese Weise realisierten Spreizbandmechanik kommt es zu einer deutlich geringeren Belastung des Spreizbandes und damit auch zu einem geringerem Verschleiß, was sich nicht zu letzt in einer erhöhten Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Spreiz- bandmodule und dadurch gesenkten Wartungskosten widerspiegelt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik ist zumindest eine der beiden Seitenscheiben der ersten und der zweiten Rolle mit einer Verzahnung versehen. Die beiden Verzahnungen stehen hierbei miteinander im Eingriff. Auf diese Weise kann die gewünschte Vorspannung erzeugt werden sowie eine Synchronisation der beiden Rollen erfolgen.
Nach einer vorteilhaften Ausführung weist das Sekundärband in etwa die selbe Breite wie das Spreizband in seinem flachen aufgewickelten Zustand auf. Dadurch ist gewährleistet, dass sich das Sekundärband beim Aufwickelvorgang problemlos gemeinsam mit dem Spreizband auf die Aufwickelrolle aufwickeln lässt. Bei anderen Ausführungsformen könnte das Sekundärband auch eine geringere Breite als das Spreizband aufweisen. Die Breite sollte jedoch so gewählt werden, dass das Sekundärband den größten Bereich des Spreizbandes beim Aufwickeln abdeckt.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn bei einer weiteren Ausführungsform eine der beiden Rollen motorisch zu einer Rotation antreibbar ist. Die Rollen können aber auch gebremst oder freilaufend betrieben werden.
Das Profil des Spreizbandes ist bevorzugt durch eine einfache Wölbung gebildet. Diese Profilform eines Spreizbandes hat sich bislang als die für die meisten Anwendungen geeignetste Form erwiesen. Die erfindungsgemäße Spreizbandmechanik ist aber grundsätzlich auch für andere Profile des Spreizbandes geeignet. Beispielsweise sind auch wellenförmige oder drei- eckförmige Profile verwendbar. Das Spreizband kann auch ein Profil im Längsschnitt aufweisen, beispielsweise in Form von Löchern oder Zacken.
Das Spreizband besteht vorzugsweise aus einem elastischen Metall oder einem elastischen Kunststoff. Aufgrund der Elastizität des Spreizbandes kann dieses reversibel von dem gestreckten Zustand in den Wickelzustand überführt werden. Das Spreizband ist aufgrund innerer Kräfte bestrebt, das
Profil einzunehmen und so den gestreckten Zustand anzunehmen. Wirkt ein Biegemoment auf das Spreizband, so kann das Spreizband aufgrund des Querprofils dem Biegemoment zunächst widerstehen. Ist das Biegemoment jedoch größer als ein überführungsbiegemoment, so knickt das Spreizband schlagartig an der Einwirkungsstelle des Biegemomentes ein und verliert dort sein Profil. Die profillosen Abschnitte des Spreizbandes lassen sich mit geringeren Biegemomenten verformen, sodass das Spreizband aufgewickelt werden kann. Wird das auf das Spreizband wirkende Biegemoment kleiner als ein Rϋckfϋhrungsbiegemoment, nimmt das Spreizband wieder sein Profil an und schnellt in den gestreckten Zustand.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Spreizbandmechanik ist das Spreizband im Wickelzustand breiter als im gestreckten Zustand. Durch den Verlust des Profils im Wickelzustand ist das Spreizband flach und dadurch breiter. Diese Eigenschaft kann beispielsweise für eine zusätzliche Führung an der ersten, das Spreizband tragenden Rolle ausgenutzt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden Kräfte;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwickeln wirkenden Kräfte.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizbandmechanik. Die Spreizbandmechanik umfasst ein Spreizband 01 , welches beispielsweise als Aktuator zur Positionierung dienen kann. über das Spreizband 01 sind Zug- und Druckkräfte, aber auch Biegemomente in einem begrenzten Umfang übertragbar. An seinem proximalen Ende ist das Spreizband 01 auf einer ersten Rolle 02 (Aufwickelrolle) aufgewickelt. Am distalen Ende kann beispielsweise ein Werkzeug angebracht sein, welches durch das Spreizband 01 positioniert werden soll.
Das Spreizband 01 ist in zwei Zuständen gezeigt. Derjenige Abschnitt des Spreizbandes 01 , der auf der Aufwickelrolle 02 aufgewickelt ist, befindet sich in einem Wickelzustand. Der andere gezeigte Abschnitt des Spreizbandes
01 befindet sich in einem gestreckten Zustand. Das Spreizband 01 ist im gestreckten Zustand im Wesentlichen geradlinig ausgestreckt und weist ein gewölbtes Profil im Querschnitt auf.
Im Wickelzustand ist das Spreizband 01 im Querschnitt flach und breiter als im gestreckten Zustand. Es weist eine Wölbung gegebenenfalls nur noch ansatzweise auf. Das im Wickelzustand befindliche Spreizband 01 verändert bei auftretenden Biegemomenten seine Form in Längsrichtung, sodass es auf die Aufwickelrolle 02 aufgewickelt werden kann. Der übergang vom gestreckten Zustand in den Wickelzustand bzw. umgekehrt erfolgt während des Auf- bzw. Abwickeins fortlaufend in Längsrichtung des Spreizbandes 01.
Mit der ersten Rolle 02 steht eine zweite Rolle 04 (Sekundärrolle), auf welche ein Sekundärband 05 auf- und abwickelbar ist, in Verbindung. Das Sekundärband ist in der gezeigten Ausführung als Metallband ausgeführt. Alternativ kämen auch Kunststoff- oder Mischmaterialbänder in Frage. Die beiden Rollen 02, 04 sind so zueinander angeordnet, dass das Spreizband
02 gemeinsam mit dem Metallband 05 auf die erste Rolle 02 auf- bzw. abgewickelt werden kann. Bei dem Metallband 05 handelt sich um ein gewöhn-
liches flaches, keine Profilierung aufweisendes Band. Vorzugsweise wird ein Stahlband eingesetzt. Das Metallband 05 ist in der Regel in etwa derselben Breite wie das Spreizband 01 in seinem flachen, aufgewickelten Zustand ausgeführt. Ein derart ausgebildetes Metallband 05 lässt sich besonders einfach auf die erste Rolle 02 gemeinsam mit dem Spreizband 01 aufwickeln. Beim Abwickelvorgang ist gewährleistet, dass das Spreizband 01 im übergangsbereich vom aufgewickelten flachen Zustand in den gewölbten Zustand vom Metallband 05 gut abgestützt wird und dadurch einer geringeren Beanspruchung unterliegt.
Die Rollen 02, 04 haben einen gegensinnigen Drehsinn. Zur Synchronisation der Rollen 02, 04 ist zumindest jeweils eine der beiden Seitenscheiben 07 der Rollen 02, 04 mit einer Verzahnung (nicht dargestellt) versehen, welche miteinander im Eingriff stehen. Auf diese Weise kann das Drehmoment von der einen zur anderen Rolle übertragen werden. Gleichzeitig kann die gewünschte Vorspannung erzeugt werden. Anstelle der Verzahnung zwischen den Rollen könnte zu deren Synchronisation auch ein Reibschluss hergestellt sein oder die Rollen werden von Direktantrieben angetrieben. Im letztgenannten Fall ist eine Anpassung der Umdrehungsgeschwindigkeit möglich, was gerade bei großen Wickellängen erforderlich erscheint, um eine Schlaufenbildung beim Umwickeln des Sekundärbandes von der ersten zur zweiten Rolle zu vermeiden.
Beim Aufwickeln wird das Spreizband 01 in Richtung der ersten Rolle 02 bewegt. Die Kraftübertragung erfolgt über einen Befestigungspunkt 08 des Spreizbandes 01 auf der ersten Rolle 02 und den Radius (Aufwickelradius) der ersten Rolle 02. Die zweite Rolle 04 dient hierbei lediglich als Träger des Metallbandes 05, welches zusammen mit dem Spreizband 01 auf die erste Rolle 02 aufgewickelt wird.
Beim Abwickeln erfolgt die Kraftübertragung über den Radius (Abwickelradi- us) der Aufwickelrolle 02, den Befestigungspunkt des Metallbandes 05 auf der Sekundärrolle 04 und dem Aufwickelradius der Sekundärrolle 04. Die Aufwickelrolle 02 dient dabei als Spannrolle, die ein sauberes Abwickeln des Spreizbandes 01 ermöglicht.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Aufwickeln wirkenden Kräfte. Diese Prinzipdarstellung ist auf die in der Fig. 1 gezeigte Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der übersichtlich- keit auf die Darstellung einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt ein Drehmoment Mi, sodass das Spreizband 01 in eine Richtung 11 bewegt wird (Aufwickeln). Das Drehmoment M 1 wirkt entgegen einer Kraft F L und einer durch die Sekundärrolle 04 bewirkten Vorspannung F V 2 auf das Spreizband 01. Von der Spreizbandrolle (Aufwickelrolle mit auf- gewickeltem Spreizband) ausgehend wirken radial nach außen Einzelkräfte FR X , die aus dem Bestreben des Spreizbands 01 zur Einnahme des gewölbten Zustands resultieren. Die Aufwickelrolle weist einen Radius r 1 auf. Bei der Sekundärrolle 04 wirken Einzelkräfte FR X radial nach außen. Auf die Sekundärrolle 04 wirkt ein Drehmoment M 2 . Die Sekundärrolle 04 weist einen Radius r 2 auf. Für das Drehmoment M 2 der Sekundärrolle 04 gilt:
-M 2 = Fv 2 r 2 ,
wobei Fv 2 für die Vorspannung steht. Somit ergibt sich für das Drehmoment der Aufwickelrolle 02:
Mi=F L n + Fv 2 • r 2 ,
wobei der erste Summand dem durch die Aufwickelrolle 02 bewirkten An- triebsmoment entspricht und der zweite Summand dem durch die Sekundärrolle 04 bewirkten Vorspannungsmoment.
Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der beim Abwickeln wirkenden Kräfte. Diese Prinzipdarstellung ist wiederum auf die in der Fig. 1 gezeigte Spreizbandmechanik bezogen, wobei aus Gründen der Ll- bersichtlichkeit auf die Darstellung einzelner Merkmale verzichtet wurde. Auf die Aufwickelrolle 02 wirkt jetzt ein Drehmoment Mi mit gegenüber der Darstellung in Fig. 3 entgegen gesetztem Richtungssinn, sodass das Spreizband 01 in eine Richtung 12 bewegt wird (Abwickeln). Auf die Spreizbandrolle (Aufwickelrolle mit aufgewickeltem Spreizband) wirken radiale Einzelkräfte FR X . Die Aufwickelrolle 02 weist einen Radius n auf. Bei der Sekundärrolle 04 wirken Einzelkräfte FR X radial nach außen. Auf die Sekundärrolle 04 wirkt ein Drehmoment M 2 ,. welches einen gegenläufigen Drehsinn zum Drehmoment M 1 der Aufwickelrolle 02 aufweist. Das Drehmoment M 2 wirkt entgegen einer Kraft F|_ o und einer durch die Aufwickelrolle 02 bewirkten Vorspannung F V i. Somit ergibt sich für das Drehmoment der Sekundärrolle:
wobei der erste Summand dem durch die Sekundärrolle 04 bewirkten Antriebsmoment und der zweite Summand dem durch die Aufwickelrolle 02 bewirkten Vorspannungsmoment entspricht.
Bezugszeichenliste
01 Spreizband
02 erste Rolle (Aufwickelrolle) 03 -
04 zweite Rolle (Sekundärrolle)
05 Sekundärband (Metallband)
06 -
07 Seitenscheiben 08 Befestigungspunkt des Spreizbandes
09 Befestigungspunkt des Metallbandes
10 -
11 Richtung des Spreizbandes beim Aufwickeln
12 Richtung des Spreizbandes beim Abwickeln
Next Patent: DEVICE AND METHOD FOR SEIZING AND SETTING DOWN IMPACT-SENSITIVE SHEETS