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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Vorrichtungen, um Drehverbindungen mit geringer
Reibung zu gewährleisten,
insbesondere eine stabile biaxiale Biegegelenkkupplung, um rotationsauslenkende
Enden für
kinematische Verbindungen zu gewährleisten.
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STAND DER
TECHNIK
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Eine
einfache Kugelgelenkverbindung gewährleistet eine Verbindung,
die rotationsauslenkend und axial starr ist. Eine Verbindung dieses
Typs wird als Endstück
für Gestänge oder
Stangen oder Streben verwendet, wo axiale Kräfte starr übertragen werden sollen, und
Rotationen relativ frei sind. Die Kugelgelenk-Endverbindung ist
aber durch große Reibungsverluste
gekennzeichnet, die sie für
Präzisionsverbindungen
mit geringer Leistung unerwünscht macht,
und vor allem für
Steuerungen mit geschlossenem Regelkreis, die instabil werden können, wenn zu
viel Rückstoßbewegung
vorhanden ist. Biegegelenke wie die in 4 gezeigte
Kupplung 4 sind in solchen Anwendungen allgemein sinnvoller.
Diese Vorrichtung arbeitet auf völlig
lineare Weise mit Hilfe von elastisch ausschlagenden Biegegelenkblättern 4a,
die die gewünschte
Drehung des Endes der Verbindung 4c zu einem festen Ende
oder einer anderen Verbindung 4d. Um die zwei Achsen, die
orthogonal zur Verbindungsachse (Richtung 4b in 4)
liegen, ist eine Rotationsauslenkung erwünscht, weshalb der Begriff
biaxial oft benutzt wird, um diese Biegegelenke zu beschreiben.
Etwas Rotationsauslenkung um die Verbindungsachse herum wird auch
bei diesem Typ Biegegelenk erreicht, obwohl es in den meisten Anwendungen
nicht entscheidend ist.
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Obwohl
Biegegelenkblätter
mit Erfolg eingesetzt wurden, haben sie gewisse Leistungsgrenzen aufzuweisen,
vor allem schwache axiale Lasttragevermögen. Um eine niedrige Drehsteifigkeit
zu erreichen, müssen
die gegenseitig versetzten Blätter 4a schmal
sein, was sie unter Drucklasten oder axialen Lasten in der Richtung 4b knickanfällig macht.
Um ihr Lasttragevermögen
zu erhöhen,
können
die Blätter 4a natürlich dicker
gemacht werden, was sie weniger flexibel macht und die Drehsteifigkeit
erhöht,
wodurch die Wirksamkeit der Kupplung reduziert wird. Angestrebt
wird eine minimale Drehsteifigkeit, was möglichst dünne Blätter, aber eine maximale axiale Stärke erfordert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer
biaxialen Drehkupplung des Blatt-Typs mit minimaler Drehungsreibung
und minimalen Verlusten, und die auch in der Lage ist, höheren axialen
Drucklasten standzuhalten.
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Der
vorliegenden Erfindung gemäß verwendet
eine stabile Biegegelenkkupplung dünne Biegegelenke (Blätter), um
die rotierenden Endglieder zu verbinden, und der Drehpunkt ist neben
dem Mittelpunkt jedes Biegegelenks angeordnet.
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Erfindungsgemäß umfaßt eine
Biegegelenkkupplung ein erstes Endglied, das normal zu einer Lastachse
(d.h. 4b in 4) steht; ein zweites Endglied,
das normal zu dieser Lastachse in einem ersten Abstand vom zweiten
Endglied steht; eine Öffnung
im ersten Endlied auf der Achse; eine Öffnung im zweiten Endlied auf
der Achse; erste und zweite Biegegelenke, die die Endglieder verbinden,
wobei diese ersten und zweiten Biegegelenke parallel zur Lastachse
liegen und diametral entgegengesetzt sind; dritte und vierte Biegegelenke,
die die Endglieder verbinden, wobei diese dritten und vierten Biegegelenke
parallel zur Lastachse liegen und diametral entgegengesetzt sind;
einen ersten Querträger,
der normal zur Lastachse steht und neben den Mittel punkten der ersten
und zweiten Biegegelenke verbunden ist; eine erste Stange entlang
der Achse, und die durch die Öffnung
im ersten Glied verläuft
und am ersten Querträger
befestigt ist; einen zweiten Querträger, der normal zur Achse steht
und neben den Mittelpunkten der dritten und vierten Biegegelenke verbunden
ist; eine zweite Stange entlang der Achse, und die durch die Öffnung im
zweiten Glied verläuft und
am zweiten Querträger
befestigt ist.
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Die
erste und zweite Stange werden beide verwendet, um die Kupplung
mit einer Verbindung und/oder einem gewünschten festen Befestigungspunkt
zu verbinden, wo die Vorrichtung betrieben werden kann, um axiale
Lasten starr zwischen der Ausrüstung
zu übertragen,
während
sie relativ freie oder ausgelenkte Drehungen erlaubt.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung befestigen vier axial verbindende starre
Trennelemente, die diametral angeordnet sind, die ersten und zweiten
Endglieder mit den Biegegelenken, die zwischen den Endgliedern und
den Trennelementen angeordnet sind, um einen Käfig für die Biegegelenke zu formen.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung ist jedes Biegegelenk mit einer Basis
an jedem Ende geformt, die an den Endgliedern mit den starren Trennelementen
befestigt sind.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, daß jedes
Biegegelenkblatt sowohl in Kompression als auch in Spannung auf
axiale Lasten reagiert. Aufgrund dessen kann ein Biegegelenkfehler,
d.h. ein Blattfehler nur dann auftreten, wenn die elastische Grenze
des Biegegelenkmaterials erreicht ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Aufriß eines
stabilen Biegegelenkblattaufbaus nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein Schnitt entlang Linie 2-2.
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3 ist
eine schematische Zeichnung einer Kupplung, die axial entgegengesetzte
Verbindungsstangen aufweist, die je mit einem Paar erfindungsgemäßer Biegegelenkblätter verbunden
sind.
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4 zeigt
eine Biegegelenkkupplung nach dem Stand der Technik.
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5 ist
ein Schnitt entlang Linie 5-5 in 3.
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6 ist
ein Schnitt entlang Linie 6-6 in 8.
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7 ist
ein Schnitt entlang Linie 7-7 in 8.
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8 ist
eine Seitenansicht der Erfindung.
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9 ist
ein Schnitt entlang Linie 9-9 in 8.
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BESCHREIBUNG
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In 1 umfaßt ein Biegegelenkblattaufbau 9 eine
Steuerstange 10, die um eine Achse 12 herum parallel
zu einem Querträger 30 beweglich
ist, um sich in Bezug auf die feststehenden kreisförmigen Glieder 14 und 16 biegen
oder bewegen (leicht drehen) zu können. (Siehe Winkel θ in 2)
Endglieder 14 und 16 sind durch dünne blattartige
Biegegelenke 18, 20 verbunden, die aus einem federnden
Metall, Kunststoff oder Verbundmaterial bestehen. Aus der schematischen
Zeichnung von 3 ist zu ersehen, daß vier Biegegelenkblätter, erste
und zweite Biegegelenke 18, 20, wie erwähnt, und dritte
und vierte Biegegelenke 22, 24 alle an ihren Enden
mit den Endgliedern 14 und 16 verbunden sind.
Die Biegegelenkblätter 18, 20 sind
durch den Querträger 30 und entlang
einer Ebene mit der Steuerstange 10 verbunden, wie in 1 gezeigt.
Das zweite Paar Biegegelenkblätter 22, 24 liegt
entlang einer Ebene, die normal zur Achse der Biegegelenkblätter 18, 20 steht, und
ist durch den Querträger 32 mit
einer zweiten Steuerstange 26 verbunden. (Siehe auch 6 bis 9).
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Daher
ist die Bewegung oder leichte Drehung der Steuerstange 10 orthogonal
zu entsprechenden Drehungen der Steuerstange 26, aufgrund der
mechanischen Verbindung zwischen den Biegegelenkblätter und
den Endgliedern, was eine biaxiale Rotationsauslenkung zwischen
den zwei Steuerstangen gewährleistet.
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Die
Steuerstange 10 ist mit einer querverlaufenden Stange oder
einen Querträger 30 verbunden, dessen
eines Ende 30a so nahe wie möglich mit der Mitte des Biegegelenkblatts 18 verbunden
ist, z.B. durch Schweißung,
und dementsprechend ist das andere Ende 30b mit der Mitte
des Biegegelenkblatts 20 verbunden. Die Steuerstange 26 ist
dementsprechend mit der querverlaufenden Stange 32 und
mit ihren Enden 32a, 32b so nahe wie möglich mit
der Mitte ihrer jeweiligen Biegegelenkblätter 22, 24 verbunden,
wobei ein gewisser Abstand zur Querstange 30 vorgesehen
ist. Die Punkte 30c und 32c, wo die Stangen 10 und 26 mit
ihren jeweiligen Stangen 30 und 32 verbunden sind,
sind die Mittelpunkte der Biegegelenkblätter.
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Es
ist anzumerken, daß die
Kupplung in 1, 2 und 3 durch
die Biegegelenkblattpunkte wie z.B. 32c auf axiale Lasten
sowohl in Kompression als auch in Spannung reagiert. Der Lastweg setzt
sich durch die querverlaufenden Stangen und dann durch jedes Biegegelenkblatt
fort. Der Lastweg teilt sich dann, wobei ein Teil der Last die Spannung in
einem Abschnitt des Biegegelenkblatts bewirkt und ein anderer Teil
der Last die Kompression im anderen Abschnitt des Biegegelenkblatts
bewirkt. Die Größe der Last,
auf welche jedes Biegegelenkblattsegment reagiert, ist von einigen
Faktoren abhängig,
da der axiale Lastweg statisch unbestimmt wird. Zunächst bestimmt
die Position des Drehpunkts entlang der Länge des Blatts die relative
Steifigkeit durch das Blatt und seine Reaktion auf axiale Lasten.
Ein anderer Faktor beim Bestimmen der Lastgröße in jedem Biegegelenkblattabschnitt
ist der Kompressionsabschnitt des Biegegelenkblatts und seine Knickfestigkeit.
Wenn die Kompressionsseite nicht stabil zur Last ist, knickt das
Biegegelenk nicht. Die Spannungsseite muß daher auf die ganze Last
reagieren. Mit anderen Worten, die Reaktion durch die Biegegelenke
und Stangen 10 und 26 setzt die Biegegelenkblätter unter
Spannung, wodurch die Knickgefahr minimiert wird.
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In
einer Konfiguration weist jedes Biegegelenkblatt 18, 20, 22, 24 eine
Länge von
0,75 Zoll auf, und das Biegegelenk besteht aus Titan 6A1-4V. Der Verbindungspunkt 34 mißt 0,3 Zoll
im Querschnitt, und das Biegegelenkblatt 0,013 × 0,3 Zoll. (Siehe 2).
Wenn ein Blatt mit diesen Merkmalen konventionell konfiguriert ist,
wie in 4 gezeigt, ist die Knicklast für jedes Biegegelenkblatt 90
lbs. Dies ohne Zusatz der Zusatzbeanspruchungen, die auftreten,
wenn das Blatt gebogen oder leicht gedreht wird, wie in 2 gezeigt.
Wenn ein Blatt mit gleichen Abmessungen und aus dem gleichen Material
erfindungsgemäß konfiguriert
ist (mittlere Blattbiegepunkte), wird die zulässige Last für das Biegegelenk
auf 200 Pfund erhöht.
Diese stabile Biegegelenk bleibt strukturell einwandfrei, wenn es
auf diese Last reagiert und einer Drehung von 5 Grad (θ) ausgesetzt wird.
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6–9 zeigen
eine Ausführungsform der
grundlegenden Biegegelenkstruktur, die oben erläutert wurde, in einem Aufbau,
der leicht herstellbar ist. Diese Ausführungsform verwendet vier Pfosten oder
Trennelemente 35, 36, 37 und 38,
die diametral angeordnet sind und durch Befestigungsmittel 39 an starre
Endglieder 40 befestigt sind, um einen Käfig für die Biegegelenke 18, 20, 22, 24 zu
formen. In dieser Ausführungsform
wurden den Biegegelenken die gleichen Bezugszeichen wie zuvor zugewiesen,
sie sind aber mit integralen Basen geformt, z.B. 22a, die zwischen
starren Trennelementen 35, 36, 37, 38 und den
Endgliedern 40 eingeklemmt sind. Es ist zu ersehen, daß die mechanische
Kombination der Endglieder und Trennelemente einen starren Käfig für die Biegegelenke
erzeugt, während
die Verbindung zwischen den zwei Stangen allein durch die Biegegelenke 18, 20, 22 und 24 erfolgt,
wie oben beschrieben, wodurch die gleichen Vorteile gewährleistet
werden.