Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgrund von Bauraumanforderungen und Montagegründen, sowie um thermische Einflüsse zu reduzieren, kann ein Energiewandler (z. B. Motor) örtlich getrennt von einer Stellachse angeordnet werden. Diese Forderung erfordert allerdings eine Energieübertragung von einer Antriebs- auf eine Abtriebsseite.

Die Übertragung von Drehmoment von einer Antriebswelle auf eine parallele dazu angeordnete Abtriebswelle mittels Kopplungselementen (z. B. Pleuel) ist aus dem Stand der Technik bekannt. Diesbezüglich sehen beispielsweise die in der DE 102007035 309 A1 , WO 2009/123551 A1 und US 8925406 B1 offenbarten Antriebssysteme mehr als ein Kopplungselement zwischen Antriebs welle und Abtriebswelle vor.

Derartige Antriebe neigen allerdings zu einem Verklemmen aufgrund von Montage- und Ferti gungstoleranzen der Wellen sowie der Kopplungselemente und deren Befestigung an den Wellen. Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem mit einer Antriebs- und einer Abtriebswelle und wenigstens zwei dazwischen geschalteten Kopplungselementen bereit zustellen, bei welchem ein Verklemmen verhindert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung das Antriebsystem nach Anspruch 1 bereit, umfassend: eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, wenigstens zwei Kopplungselemente, die jeweils mit der Antriebswelle und der Abtriebswelle gekoppelt sind, wobei wenigstens ein Kopplungselement einen elastisch verformbaren Abschnitt aufweist und der elastisch verformbare Abschnitt ein anderes Material oder einen anderen Querschnitt als ein benachbarter Abschnitt des Kopplungselements aufweist.

Aufgrund des elastisch verformbaren Abschnitts des Kopplungselements ist der Abstand der bei den Verbindungsabschnitte des Kopplungselements, über die das Kopplungselement mit den Wellen verbunden ist, flexibel. Da mindestens ein Kopplungselement den elastisch verformbaren Abschnitt aufweist, können Abweichungen in der Ausrichtung der Wellenachsen sowie Längen unterschiede der Kopplungselemente durch elastische Verformung des elastisch verformbaren Abschnitts im Betrieb ausgeglichen werden. Mit dieser Konfiguration kann dennoch eine spielfreie und präzise Übertragung des Drehmoments gewährleistet werden. Darüber hinaus ist das erfin dungsgemäße Antriebssystem auch für den Einsatz im Tieftemperaturbereich (bis hin zu kryoge nen Temperaturen) und im Ultrahochvakuum geeignet. Durch einen parallel angebauten Motor bleibt das Antriebssystem kompakt. Weiterhin sind die Komponenten des erfindungsgemäßen Antriebssystems günstig im Vergleich zu Zahn- oder Reibrädern, die präzise gefertigt werden müssen und eine genaue Einstellung der Wellenachsen erfordern.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.

Es kann von Vorteil sein, wenn der elastisch verformbare Abschnitt derart konfiguriert ist, dass aufgrund einer elastischen Verformung des elastisch verformbaren Abschnitts im Betrieb wenigs tens ein Teil der Antriebleistung absorbiert wird und der Wirkungsgrad des Antriebssystems im Bereich zwischen 50 und 100 %, vorzugsweise im Bereich zwischen 90 und 95 %, bevorzugt im Bereich zwischen 95 und 99 % liegt und/oder die Drehmomentschwankung zwischen Antriebs welle und Abtriebswelle im Bereich zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 25 %, bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 10 % liegt. Erfindungsgemäße Antriebssysteme, die einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Drehmomentschwankung aufweisen, erfüllen be vorzugt Anforderungen an eine kontinuierlich und vergleichsweise schnell drehende Ab triebswelle, wohingegen ein Antriebssystem mit vergleichsweise niedrigem Wirkungsgrad und ho her Drehmomentschwankung bei Positioniersystemen zum Einsatz kommen kann, in denen die Abtriebswelle in der Regel nur Bruchteile einer Umdrehung ausführt.

Es kann sinnvoll sein, wenn der elastisch verformbare Abschnitt exakt oder im Wesentlichen mittig zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist. Aufgrund der symmetrischen Anordnung des elastisch verformbaren Abschnitts kann die Elastizität bzw. Flexibilität des Kopp lungselements gleichmäßig in beide Richtungen entlang der Längserstreckung des Kopplungs elements wirken.

Es kann von Vorteil sein, wenn der elastisch verformbare Abschnitt ein elastisches Element, vor zugsweise in Form einer Feder oder eines Elastomers, aufweist. Durch die Wahl des elastischen Elements kann die Elastizität des elastisch verformbaren Abschnitts gezielt eingestellt werden.

Erfindungsgemäß weist der elastisch verformbare Abschnitt ein anderes Material oder einen an deren Querschnitt als ein benachbarter Abschnitt des Kopplungselements auf. Dadurch kann der elastisch verformbare Abschnitt stoffschlüssig in das Kopplungselement integriert werden und/o der das gesamte Kopplungselement einstückig ausgebildet werden.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Antriebswelle und Abtriebswelle jeweils einen oder mehrere exzentrische Abschnitte aufweisen und jedes Kopplungselement mit dem entsprechenden exzent- rischen Abschnitt gekoppelt ist. Über den exzentrischen Abschnitt kann eine einfache und zuver lässige Anbindung des Kopplungselements erreicht werden, indem beispielsweise ein Verbin dungsabschnitt am Ende des Kopplungselements den exzentrischen Abschnitt aufnimmt.

Es kann auch von Nutzen sein, wenn jedes Kopplungselement mit einer Stirnfläche der Antriebs welle und/oder einer Stirnfläche der Abtriebswelle gekoppelt ist. Dadurch kann ein freier Zugang auf die Antriebs- bzw. Abtriebswelle entlang ihrer Rotationsachse ermöglicht werden.

Es kann sinnvoll sein, wenn die Kopplungselemente so an der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet sind, dass sie vorzugsweise um 60° oder 90° zueinander phasenversetzt sind. Durch diese Anordnung kann eine konstantere bzw. gleichmäßigere Drehmomentübertragung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle erfolgen, wobei eine Singularität im Bewegungsraum vermieden wird.

Es kann sich als nützlich erweisen, wenn die Antriebswelle und die Abtriebswelle elastisch gela gert sind, vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, besonders bevorzugt in einem elastisch verformbaren Gehäuse. Dadurch kann die Gefahr eines Verklemmens des Antriebssystems wei ter verringert werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn die Abtriebswelle einen Längsschlitz aufweist, der sich entlang der Rotationsachse erstreckt. Der Längsschlitz kann eine optische Faser aufnehmen.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Abtriebswelle eine Klemmvorrichtung im Bereich des Längs schlitzes aufweist, um eine im Längsschlitz angeordnete optische Faser festzuklemmen. Dadurch kann die optische Faser auf der Rotationsachse der Abtriebswelle positioniert und fixiert werden.

Es kann sinnvoll sein, wenn eines der oder beide Kopplungselemente U-förmig ausgebildet ist/sind. Durch den spezifischen Bewegungsraum der U-förmigen Kopplungselemente kann ein Raum in der Umgebung der Wellen frei bleiben, der beispielsweise für die Positionierung der op tischen Faser genutzt werden kann.

Es kann sich als praktisch erweisen, wenn die Abtriebswelle um einen Drehwinkel von +/- 135° um die Rotationsachse verstellbar ist. Dadurch kann ein Positioniersystem bereitgestellt werden, dessen Anwendung einen derartigen Drehwinkelbereich erfordert. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Hexapod, umfassend mehrere Beine und wenigs tens ein Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ausführungsformen, wobei die Ab triebswelle eines der Antriebssysteme mit einem der Beine des Hexapods verbunden ist, um diese durch Betätigung des Antriebssystems zu bewegen.

Begriffe und Definitionen

Elastisch verformbarer Abschnitt des Kopplungselements

Der elastisch verformbare Abschnitt des Kopplungselements weist zumindest in Längsrichtung des Kopplungselements (Richtung senkrecht zu den Wellenachsen) eine höhere Elastizität und damit einen niedrigeren E-Modul als die übrigen Abschnitte des Kopplungselements auf.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsge mäßen Antriebssystems.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform des Antriebssystems.

Figur 3 zeigt einen Längsschnitt der ersten Ausführungsform des Antriebssystems.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Antriebssystems.

Figur 5 zeigt eine Vorderansicht der zweiten Ausführungsform des Antriebssystems.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine erste Ausführungsform des Antriebssystems 1a ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Das Antriebssystem 1 a umfasst eine Antriebswelle 2 und eine parallel dazu angeordnete Abtriebswelle 3. Beide Wellen 2, 3 sind über Wälzlager gelagert. Die Lageranordnung sowie die Art der Wälzla ger wird hier nicht näher spezifiziert. Es versteht sich von selbst, dass verschiedene Möglichkeiten für die Lageranordnung und die Wahl der Wälzlager existieren, um die Anforderungen an spezifi sche Anwendungsfälle zu erfüllen. Neben Wälzlagern ist auch der Einsatz von Gleitlagern mög lich.

Weiterhin umfasst das Antriebssystem 1a zwei Kopplungselemente 4. Die Zahl der Kopplungs elemente ist nicht auf zwei beschränkt. Insbesondere kann das Antriebssystem 1a auch mehr als zwei Kopplungselemente 4 aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Kopplungs element 4 über einen Verbindungsabschnitt 4b, 4c mit einem exzentrischen Abschnitt 2a, 3a der Antriebs- und Abtriebswelle 2, 3 verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise über Wälzlager, wobei ein Außenring des entsprechenden Wälzlagers mit dem Verbindungsabschnitt 4b, 4c des Kopplungselements 4 verbunden ist und ein Innenring mit dem exzentrischen Abschnitt 2a, 3a der Antriebs- bzw. Abtriebswelle 2, 3. Neben weiteren Verbindungsarten ist auch der Ein satz von Gleitlagern anstelle von Wälzlagern möglich. Die exzentrischen Abschnitte 2a, 3a bzw. die Kopplungselemente 4 sind bezüglich der Drehachsen der Antriebs- bzw. Abtriebswelle 2,3 bevorzugt um 60° oder 90° zueinander phasenversetzt angeordnet.

Erfindungsgemäß umfasst wenigstens eines der Kopplungselemente 4 einen elastisch verform baren Abschnitt 4a. In einem Fall, in dem das Antriebssystem 1a mehr als zwei Kopplungsele mente 4 aufweist, umfassen wenigstens so viele Kopplungselemente 4 den elastisch verformba ren Abschnitt 4a, dass die Anzahl der Kopplungselemente 4 mit elastisch verformbaren Abschnitt 4a eins weniger beträgt als die Gesamtanzahl der Kopplungselemente 4. Der elastisch verform bare Abschnitt 4a ist vorzugsweise exakt oder im Wesentlichen mittig zwischen den Verbindungs abschnitten 4b, 4c jedes Kopplungselements 4 bzw. den exzentrischen Abschnitten 2a, 3a der Antriebs- und Abtriebswelle 2, 3 angeordnet. Zwischenabschnitte 4d, 4e des Kopplungselements 4 verbinden jeden Verbindungsabschnitt 4b, 4c mit dem elastisch verformbaren Abschnitt 4a. Der elastisch verformbare Abschnitt 4a kann als elastisches Element 5, beispielsweise in Form eines Elastomers oder einer Feder, ausgebildet sein. Bei den Verbindungsabschnitten 4b, 4c, den Zwi schenabschnitten 4d, 4e und dem elastischen Element 5 kann es sich um Einzelteile handeln, die jeweils verschiedene Materialien aufweisen können und zur Herstellung des Kopplungselements 4 vorzugsweise stoffschlüssig gefügt werden. Daneben besteht die Möglichkeit, dass die Verbin dungsabschnitte 4b, 4c und die Zwischenabschnitte 4d, 4e einstückig ausgebildet sind und dem zufolge auch aus dem gleichen Material bestehen. Weiterhin kann das gesamte Kopplungsele ment 4 auch in Integralbauweise gefertigt sein. In diesem Fall kann der elastisch verformbare Abschnitt 4a durch einen geringeren Querschnitt als die Zwischenabschnitte 4d, 4e bzw. die Ver bindungsabschnitte 4b, 4c des Kopplungselements 4 gekennzeichnet sein.

In allen Ausführungsformen des Kopplungselements 4 sorgt der elastisch verformbare Abschnitt für einen flexiblen Abstand der Verbindungsabschnitte 4b, 4c, wodurch Längenunterschiede der Kopplungselemente 4, Abweichungen in der Parallelität der Wellenachsen und im Allgemeinen Montage- und Fertigungstoleranzen der einzelnen Bestandteile des Antriebssystems 1a ausge glichen werden und ein Verklemmen des Antriebssystems 1a verhindert wird. Ein Teil der An triebsleistung wird folglich durch elastische Verformung von dem elastisch verformbaren Abschnitt 4a absorbiert, was den Wirkungsgrad des Antriebssystems 1a beeinflusst und zu Drehmoment schwankungen zwischen Antriebswelle 2 und Abtriebswelle 3 führt.

Die Figuren 2 und 3 zeigen in perspektivischer Darstellung und in einem Längsschnitt die erste Ausführungsform des Antriebssystems 1a als Bestandteil eines Hexapods. Insbesondere ist die Abtriebswelle 3 mit einem Stellelement 7 bzw. Bein des Hexapods verbunden, welches konfigu riert ist, eine Linearbewegung aufgrund der Rotation der Abtriebswelle 3 auszuführen. Antriebs und Abtriebswelle 2, 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 6 gelagert, das vorzugsweise eben falls elastisch ausgebildet ist. Damit kann eine elastische Lagerung der Wellen 2, 3 erreicht wer den, die eine zusätzliche Flexibilität in das System einbringt und die Gefahr des Verklemmens weiter verringert.

Im vorliegenden Anwendungsfall ist das Antriebssystem 1a für eine kontinuierliche und schnelle Rotation der Abtriebswelle 3 ausgelegt. Um ein Verklemmen des Antriebssystems 1a zuverlässig zu verhindern, verfügt der elastisch verformbare Abschnitt 4a über ein geeignetes Absorptions vermögen, wobei der Wirkungsgrad des Antriebssystems 1a bevorzugt jedoch mindestens 95 % beträgt und/oder die Drehmomentschwankung zwischen Antriebswelle 2 und Abtriebswelle 3 nicht größer als 20 % ist.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssys tems 1b. Der wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform liegt darin, dass die Verbin dungsabschnitte 4b, 4c der Kopplungselemente 4 mit Stirnflächen 2b, 3b der Antriebs- und Ab triebswelle 2, 3 verbunden sind, wobei die beiden Kopplungselemente 4 verschiedene Abstände von den jeweiligen Stirnflächen 2b, 3b aufweisen. Insbesondere sind die Kopplungselemente 4 so an den Stirnflächen 2b, 3b der Wellen 2, 3 drehbar befestigt, dass sich ein Kopplungselement 4 über dem anderen Kopplungselement 4, in Bezug auf eine Richtung senkrecht zu den Stirnflä chen 2b, 3b der Wellen 2, 3, befindet. Ein Phasenversatz der Kopplungselemente 4 kann auch in der vorliegenden Ausführungsform realisiert sein und beträgt vorzugsweise 60°.

Die möglichen Ausführungsformen des elastisch verformbaren Abschnitts 4a als elastisches Ele ment 5 aus einem spezifischen Material oder einer spezifischen Form oder als Abschnitt mit ver ringertem Querschnitt sind bereits unter der ersten Ausführungsform des Antriebssystems 1a be schrieben.

Weiterhin ist die Abtriebswelle 3 zur Aufnahme einer optischen Faser mit einem Aufnahmeab schnitt 3d versehen, welcher von der Stirnfläche 3b hervorsteht und in Bezug auf eine Richtung senkrecht zu der Stirnfläche 3b über die Kopplungselemente 4 hinausragt. Die Kopplungsele mente 4 sind in dieser Ausführungsform U-förmig ausgebildet, um eine Rotation der Abtriebswelle 3 in beide Richtungen bis zu einem Drehwinkel zu ermöglichen, an dem ein Kopplungselement 4 durch den Aufnahmeabschnitt 3d blockiert wird. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausfüh rungsform die Rotation der Abtriebswelle 3 auf einen Drehwinkel von +/- 135° um die Rotations achse beschränkt. Die Anbringung der Kopplungselemente 4 an den Stirnflächen 2b, 3b der An triebs- und Abtriebswelle 2, 3 gewährleistet einen freien Zugang auf die Antriebs- bzw. Ab triebswelle 2, 3 entlang ihrer Rotationsachse.

Zur Aufnahme der optischen Faser ist außerdem ein Längsschlitz 3c in der Abtriebswelle 3 aus gebildet, der sich axial bis in den Aufnahmeabschnitt 3d erstreckt und radial bis zur Rotations achse der Abtriebswelle 3 reicht. Die optische Faser kann mit einer Klemmvorrichtung, die im Längsschlitz 3c der Abtriebswelle 3 und/oder des Aufnahmeabschnitts 3d bereitgestellt ist, auf der Rotationsachse der Abtriebswelle 3 festgeklemmt werden.

Die zweite Ausführungsform des Antriebssystems 1b eignet sich besonders als Positioniersystem für eine optische Glasfaser, deren Polarisationswinkel für die Einkopplung des Lichts durch die Rotation der Faser um ihre Rotationsachse genau eingestellt werden kann. Um ein Verklemmen des Antriebssystems 1b zu verhindern, verfügt auch der elastisch verformbare Abschnitt 4a des Antriebssystems 1b über ein geeignetes Absorptionsvermögen, wobei der Wirkungsgrad des An triebssystems 1b mindestens 50 % beträgt und/oder die Drehmomentschwankung zwischen An triebswelle 2 und Abtriebswelle 3 nicht größer als 50 % ist.

Bezugszeichenliste

1a, 1b Antriebssystem

2 Antriebswelle

2a exzentrischer Abschnitt der Antriebswelle

2b Stirnfläche der Antriebswelle

3 Abtriebswelle

3a exzentrischer Abschnitt der Abtriebswelle

3b Stirnfläche der Abtriebswelle

3c Längsschlitz der Abtriebswelle

3d Aufnahmeabschnitt der Abtriebswelle

4 Kopplungselement

4a elastisch verformbarer Abschnitt

4b, 4c Verbindungsabschnitt

4d, 4e Zwischenabschnitt

5 elastisches Element

6 Gehäuse

7 Stellelement