WO2005004083A2

WO2005004083A2 - Antrieb für eine simulations- und trainingskugel

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Publication number: WO2005004083A2
Application number: PCT/IB2004/051111
Authority: WO
Inventors: Adrián Carlos GONZÀLEZ DE MENDOZA Y KÄDING
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2006-01-02
Also published as: DE10330993A1; WO2005004083A3

Abstract

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde eine Antriebseinheit für eine reibrollengetriebene Simulations- und Trainingskugel zu schaffen, mit der die Bedingungen für die Kraftübertragung von der Reibrolle (3) auf die Kugeloberfläche verbessert, der Schlupf zwischen Reibrolle (3) und Kugeloberfläche minimiert, sowie der unvermeidliche Abrieb auf der Kugeloberfläche und dem Reibrollenbelag gering gehalten werden. Diese Aufgabe wird mit einem Doppelrollenantrieb gelöst, der vorteilhafterweise die folgenden fünf erfindungsgemäßen Hauptmerkmale aufweist, die jedoch auch unabhängig voneinander realisiert werden können. 1. Direktangetriebene Rollen, 2. V-förmige Anordnung der Rollenachsen, 3. Rollenpaar in Wippe, 4. in Schwenkachsenrichtung linear verfahrbare Antriebseinheit, 5. Maßnahmen zur Vermeidung und Beseitigung von Staubablagerungen auf Kugeloberfläche und Reibrollen (3).

Description

Beschreibung

ANTRIEB FÜR EINE SIMULATIONS- UND TRAININGSKUGEL Technisches Umfeld

[001] Die vorliegende Erfindung betrifft mittels schwenkbarer Reibrollen elektromotorisch angetriebene raumfest gelagerte Hohlkugeln, die für ein oder mehrere Benutzer zugänglich sind und deren Antriebe von einer elektronischen Steuerung kontrolliert werden. Solche Kugeln sind in der Lage um jede beliebige ihren Zentrumspunkt schneidende Achse um 360° zu rotieren. Sie werden im folgenden als Si- mulations- und Trainingskugeln bezeichnet.

[002] Simulations- und Trainingskugeln finden vor allem Anwendung als Flugsimulatoren und Nergnügungsgeräte, wobei ein Benutzer in der Regel in einer Art Kanzel im Inneren der Kugel sitzt und mittels Steuerädern, Joysticks und ähnlichem die Bewegungen der Kugel kontrolliert. (z.B. US 2,344,454 u.a.). Neuere Veröffentlichungen beschreiben Simulations- und Trainingskugeln, mit denen ein Benutzer in die Lage versetzt wird sich mit Hilfe moderner computergesteuerter Anzeigegeräte durch virtuelle Räume zu bewegen. (z.B. EP 0839 559 AI; US 5,980,256 u.a.).

[003] Die Antriebseinheiten bilden bei Simulations- und Trainingskugeln häufig gleichzeitig deren Lagerung. Dabei liegt die Kugel zweckmäßigerweise auf mindestens drei verschwenkbaren Rollen oder Rollenpaaren auf, die in gleichmäßiger Verteilung unterhalb des Kugeläquators angeordnet sind. Mindestens eine dieser Rollen bzw. Rollenpaare ist dabei angetrieben und damit in der Lage die Kugel in Rotation zu versetzen. Um für alle denkbaren Rotationsachsen eine gleichmäßig hohe Antriebsleistung auf die Kugelhülle übertragen zu können ist es sinnvoll mindestens drei Reibrollen bzw. Reibrollenpaare anzutreiben. Werden mehrere Reibrollen bzw. Reibrollenpaare angetrieben und/oder aktiv verschwenkt, müssen diese durch eine gemeinsame Steuerung verbunden sein, die die Schwenkbewegungen und die Reibrollendrehzahlen entsprechend der intendierten Rollrichtung und -geschwindigkeit der Kugel koordiniert.

[004] Mit dem konkreten Aufbau der Antriebseinheiten beschäftigen sich die Veröffentlichungen nur am Rande. Während anfänglich nur Einzelrollen verwendet wurden, die um ihr Auflagezentrum herum verschwenkt wurden (z.B. US 2,344,454; US 4,489,932; NL 9000722) kam später der Doppelrollenantrieb hinzu. Die Reibrollen liegen bei bisherigen Ausfuhrungsformen des Doppelrollenantriebs auf einer gemeinsamen Achse, die im rechten Winkel zur Schwenkachse angeordnet ist und diese schneidet (z.B. DE 3730670; US 5,980,256). Die Auflagezentren der hierbei verwendeten zwei Reibrollen liegen in gleichem Abstand rechts und links der Schwenkachse. Der Doppelrollenantrieb hat mehrere Vorteile. Sind die Reibrollen nicht drehfest, sondern beispielsweise über ein Differential miteinander verbunden, kann ein solcher Antrieb insbesondere bei unbewegter Kugel leichter verschwenkt werden. Gleichzeitig wird die Auflagelast auf zwei Auflagepunkte verteilt, was es ermöglicht eine weniger druckfeste und damit leichtere Kugelhülle herzustellen.

[005] Bei dem aus dem US-Patent US 5,980,256 bekannten Doppelrollenantrieb erfolgt der Antrieb beider Reibrollen durch einen gemeinsamen Motor, der sein Drehmoment mittels eines Differentialgetriebes auf die beiden Reibrollen verteilt. Befindet sich darüber hinaus, wie dort dargestellt, die Motorwelle im rechten Winkel zu den Reibrollenachsen, erfordert dies noch ein zwischengeschaltetes Kegelradgetriebe.

[006] Die Zahnradpaarungen erzeugen jedoch bei dieser Anordnung unerwünschte Geräusche und Vibrationen. Ist die Traktion der Reibrollen während des Betriebes ungleichmäßig, muss sich die Antriebsleistung an der Reibrolle mit der geringeren Traktion orientieren, da sonst ein Durchrutschen derselben zu erwarten ist, was wiederum zu einer Beschädigung der Kugeloberfläche führen kann. Traktionsunterschiede entstehen zum Beispiel durch ungleiche Auflagelast auf die Reibrollen oder durch Flüssigkeitslϊlme auf der Kugeloberfläche.

[007] Aus dem Aufbau der Kugelhülle, die ja die Lauffläche für die Reibrollen darstellt, ergeben sich weitere Anforderungen an den Antrieb. Vorangegangene Veröffentlichungen beschreiben Kugelhüllen die im Interesse der Belüftung des Kugelinneren eine gelochte und damit nicht mehr gänzlich glatte Oberfläche besitzen. Zudem wird die sinnvolle Forderung nach einer transparenten Kugelhülle gestellt, die den Vorteil einer Sichtverbindung zwischen Benutzer und Umgebung besitzt. Als Material für eine solche Kugelhülle kommen in erster Linie transparente Kunststoffe in Betracht, da Glas zu schwer und zu brüchig ist.

[008] Aus dem Aufbau der Kugelhülle ergibt sich also zum einen die Forderung nach einer Reibrollenauflagefläche , die groß genug ist, Öffnungen und Spalte in der Kugeloberfläche zu überrollen, ohne daß dies als Vibration oder Geräusch für den Insassen wahrnehmbar wird. Eine große Reibrollenauflagefläche ist des weiteren notwendig, um die Punktlast auf eine empfindliche transparente Kunststoffoberfläche zu reduzieren.

[009] Bei näherer Betrachtung wird deutlich, dass die Forderungen nach geringem Abrieb und einer großen Reibrollenauflagefläche (also einer breiten Reibrolle) einen Widerspruch bergen. Wird ein Reibrollenpaar verschwenkt bewegt sich der innen liegende Teil der Rollflächen auf einem kleineren Radius als der außen liegende. Da aber der innere und äußere Teil nicht mit unterschiedlichen Drehzahlen auf der Kuge- loberfläche abrollen können, entsteht Schlupf und damit Abrieb. Die Abriebneigung ist dabei um so größer, desto breiter die Rollfläche und desto geringer der Rollenabstand und damit der mittlere Rollradius beim Verschwenken ist.

[010] Da aber eine breite Rollfläche unumgänglich erscheint, können die resultierenden Belastungen auf die Kugeloberfläche durch einen großen Rollenabstand kompensiert werden. Ein großer Rollenabstand bietet darüber hinaus den Vorteil, die Auflagelast auf zwei weiter voneinander entfernt liegende Punkte auf der Kugeloberfläche zu verteilen, was eine leichtere Kugelkonstruktion bei gleicher Formstabilität ermöglicht. Weit auseinanderliegende Rollen haben jedoch den Nachteil eines höheren Trägheitsmomentes was der Schwenkdynamik entgegensteht. Außerdem vergrößert sich die Gefahr, dass aufgrund von Form- oder Lageungenauigkeiten der Kugel die Auflagelast nicht gleichmäßig auf beide Rollen verteilt ist.

[011] Drehen beide Rollen überdies um die selbe Achse, wie dies bei bekannten Lösungen der Fall ist, konzentriert sich bei zylindrischen Rollen aufgrund der Krümmung der Kugeloberfläche die Auflagelast auf die Innenkanten der Rollen. Um dies zu vermeiden wurden konische Rollflächen verwendet (DE 3730670). Umso größer der Rollenabstand in Relation zum Kugeldurchmesser ist, umso größer ist auch die erforderliche Konizität. Eine Konizität der Rollfläche bedeutet aber auch einen unterschiedlichen Abrolldurchmesser zwischen Innen- und Aussenkante der Rolle. Bleibt die Rotationsachse der Kugel konstant, laufen die Rollen auf der Kugeloberfläche also quasi geradeaus, entsteht notwendigerweise an der Innen- und Aussenkante der Rolle Schlupf, der die Rolle und die Kugeloberfläche gleichermaßen belastet und überdies den Wirkungsgrad verringert. Andererseits begünstigt eine Konizität der Rollflächen das Verschwenken auf der Stelle. Dies kommt aber im Vergleich zu allen anderen Be- triebszuständen relativ selten vor.

[012] Dient die Kugel zu Bewegungssimulationen innerhalb virtueller Umgebungen wird von einem Antrieb erwartet, dass er einerseits geräuscharm arbeitet, und andererseits dass er die Bewegungen, die die Simulation erfordert so realitätsnah wie möglich erzeugt. Um plötzliche Änderungen der Rotationsrichtung zu ermöglichen, werden insbesondere hohe Ansprüche an die Verschwenkgeschwindigkeit der Antriebe gestellt. Außerdem sollte ein solcher Antrieb im Interesse der Dynamik einer solchen Kugel hohe Kräfte übertragen können.

[013] Um eine noch größere Realitätsnähe zu gewährleisten wurden in früheren Veröffentlichungen (z.B. US 5,980,256; FR 2747819 DE 19637884) Systeme dargestellt mit denen die Kugel (zusammen mit den Kugelantrieben) entlang einer oder mehrerer Raumachsen beschleunigt werden kann. Allen dargestellten Systemen ist gemeinsam, dass die dafür notwendigen Einrichtungen einen erheblichen Raumbedarf haben und einen großen technologischen Zusatzaufwand erfordern. Offenbarung der Erfindung Technisches Problem

[014] Einige Anwendungen für eine Simulations- und Trainingskugel verlangen nach einem hochdynamischen Antrieb. Ein Friktionsantrieb, der diese Forderung erfüllen will, ist auf eine in allen Betriebszuständen optimale Traktion zwischen Reibrolle und Kugeloberfläche angewiesen. Die Traktion kann dabei durch viele Faktoren beeinflusst werden, wie z.B. Staubablagerungen, Flüssigkeitsfilme, Form- und Lageungenauigkeiten der Kugel, Vibrationen, Veränderungen in der Belastung einzelner Reibrollen durch Brems- und Beschleunigungsvorgänge, Abnutzungseffekte und einiges mehr. Um die Transparenz einer Kugeloberfläche aus transparentem Kunststoff zu erhalten, sollte ein Durchrutschen einzelner Reibrollen auf der Kugeloberfläche unbedingt vermieden werden.

[015] Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bestand deshalb darin, an reibrollengetriebenen Simulations- und Trainingskugeln die Bedingungen für die Krafrübertragung von der Reibrolle auf die Kugeloberfläche zu verbessern, den Schlupf zwischen Reibrolle und Kugeloberfläche zu minimieren, sowie den unvermeidlichen Abrieb auf der Kugeloberfläche und dem Reibrollenbelag gering zu halten. Technische Lösung

[016] Diese Aufgabe wird mit einem Doppelrollenantrieb gelöst, der vorteilhafterweise die folgenden fünf erfindungsgemäßen Hauptmerkmale aufweist. Diese können jedoch auch unabhängig voneinander realisiert werden.

[017] 1. Direktangetriebene Rollen

[018] 2. V-förmige Anordnung der Rollenachsen

[019] 3. Rollenpaar in Wippe

[020] 4. in Schwenkachsenrichtung linear verfahrbare Antriebseinheit

[021] 5. Vermeidung und Beseitigung von Staubablagerungen auf Kugeloberfläche und Rollen

[022] Zu 1.: Dem ersten Hauptmerkmal der Erfindung entsprechend erhält jede Reibrolle einen eigenen unabhängig gesteuerten Motor, der vorteilhafterweise als Direktantrieb ausgeführt ist. Diese Anordnung

[023] löst die vorbeschriebene Aufgabe dadurch, dass für jede einzelne Rolle gezielt die den jeweiligen Betriebsbedingungen optimal angepasste Drehzahl gewählt werden kann. Diese kann selbst dann gehalten werden, wenn die Traktion zwischen Rolle und Kugeloberfläche gering ist, (etwa in Folge von Staubeinwirkung) oder, wie im Falle einer kurzzeitig abhebenden Rolle, sogar gänzlich fehlt. Auf diese Weise wird Schlupf zwischen Rolle und Kugeloberfläche weitestgehend vermieden. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Schwenkmotor entfallen, die Schwenkbewegung wird hierbei durch Drehzahlunterschiede der Rollen eingeleitet. Dazu ist eine ununterbrochene Überprüfung der Schwenkrichtung mittels eines in die Schwenkachse eingebauten Drehwertgebers erforderlich. Weicht die Ist-Richtung der Schwenkachse von der Soll-Richtung ab, werden die Drehzahl und gegebenenfalls die Drehrichtung der Rollen von der Steuerung so verändert, dass die Antriebseinheit wieder auf die Soll-Richtung einschwenkt. Dies bietet den Vorteil, dass die volle Antriebsleistung gleichermaßen der Schwenkbewegung und dem Kugelvortrieb zur Verfügung steht. Eine Antriebseinheit, die dem in US 5,980,256 beschriebenen Aufbau (s.o.) folgt, benötigte bei gleicher Dynamik nahezu die doppelte installierte Gesamtantriebsleistung.

[024] Das Zusammenspiel von Motoren und Steuerung kann bei einer solchen Lösung so gestaltet werden, dass das unerwünschte Durchdrehen einer Rolle innerhalb von Se- kundenbruchteilen erkannt und unterbunden wird.

[025] Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein solcher Antrieb mit einem Eigendiagnosesystem verbunden, dass aus den aufgetretenen Korrekturbewegungen Rückschlüsse auf den Zustand der Rollen und der Kugeloberfläche ziehen kann.

[026] Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der beiden Rollen sowie die Schwenkachse mit einer mechanischen Bremse versehen. Diese Bremsen dienen dazu die Kugel im Falle einer Betriebsstörung unabhängig von den Antriebsmotoren kontrolliert abzubremsen. Die Bremsen sind dabei in Fail- Safe-Bauweise ausgeführt, d.h. sie werden elektrisch oder hydraulisch gelüftet und fallen federbetätigt ein sobald das System stromlos ist. Dies bewirkt, dass die Kugel bei einem Stromausfall oder nach Abschalten der Versorgungsspannung festgesetzt wird.

[027] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird durch einen Kraftsensor die Auflagelast der Kugel auf das Rollenpaar kontrolliert. Bei Unterschreitung eines Grenzwertes wird die Steuerung veranlasst die Schwenkachse festzusetzen. Dies verhindert das unkontrollierte Verschwenken des Rollenpaares bei einem kurzzeitigen Abheben der Kugel, wie dies z.B. unter dem Einfluss einer zu hohen Unwucht geschehen kann.

[028] Die Verwendung unabhängiger Antriebe für beide Rollen ist auch für die dem zweiten Hauptmerkmal der Erfindung folgende V-fÖrmige Anordnung der Rollenachsen besonders vorteilhaft. Würden, wie bei der aus US 5,980,256 bekannten Antrieblösung, die Rollen das Antriebsdrehmoment von einem gemeinsamen Differentialgetriebe beziehen, würde die V-förmige Anordnung der Rollenachsen Getriebe oder Kupplungen notwendig machen, die den Winkelversatz der Achsen überwindet.

[029] Solche Kupplungen bzw. Getriebe verringern je nach Bauart die Positionsgenauigkeit des Antriebs, erzeugen unerwünschte Geräusche und/oder verringern den Wirkungsgrad.

[030] Der Direktantrieb der Rollen kann für dem Oberbegriff entsprechende Doppelrollenantriebe auch unabhängig von anderen Merkmalen der Erfindung eingesetzt werden.

[031] Zu 2.: Bei den nebeneinanderliegenden Rollen eines dem Oberbegriff entsprechenden Doppelrollenantriebs liegt die Kugellast auf den Innenkanten der Laufflächen, vorausgesetzt, die beiden Rollen weisen die gleiche Rotationsachse auf und besitzen eine zylindrische Lauffläche. Eine konische Lauffläche, wie dies durch DE 3730670 nahegelegt wird, hat im Geradeauslauf erheblichen Schlupf zur Folge, erhöht somit die Abriebneigung und verringert den Wirkungsgrad.

[032] Entsprechend dem zweiten Hauptmerkmal der Erfindung bilden die beiden Reibrollenachsen ein leicht geöffnetes V, dessen Öffnung der Kugeloberfläche zugewandt ist und die zusammen mit der Schwenkachse einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die Laufflächenform in Bezug auf Schlupf und Abriebneigung besser optimierbar ist. Je nach Anwendungsfall der Simulationsund Trainingskugel stehen Schwenk- und Geradeausfahrten in einem ermittelbaren durchschnittlichen Verhältnis zueinander. Abhängig von diesem Verhältnis kann bei dieser Anordnung im Interesse eines geringen und gleichmäßigen Abriebs die Konizität der Rollen und der Öffhungswinkel des Vs frei bestimmt werden.

[033] Die Laufflächen der Rollen passen sich dabei entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Krümmung der Kugel an, sind also in der Mitte leicht eingeschnürt. Die V-förmige Anordnung der Rollenachsen kann für dem Oberbegriff entsprechende Doppelrollenantriebe auch unabhängig von anderen Merkmalen der Erfindung gewinnbringend eingesetzt werden.

[034] Zu 3.: Dem dritten Hauptmerkmal der Erfindung entsprechend sind die Rollen auf einer Wippe gelagert, deren Pendelachse die Schwenkachse schneidet. Die Pendelachse steht dabei lotrecht auf der Ebene in der die Schwenkachse und die beiden Rollenachsen angeordnet sind. Die Wippe ist in einem gabelförmigen Bauelement gelagert, das auf der Schwenkeinrichtung befestigt ist. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die Auflagelast immer gleichmäßig auf beide Rollen verteilt wird und somit in allen Betriebssituationen eine optimale Traktion erzielt, bzw. ein Durchrutschen einzelner Rollen vermieden wird. Durch die Wippe sinken gleichzeitig die Anforderungen an die Formtreue der Kugel und an die Lagegenauigkeit der Antriebseinheit in Bezug auf die Kugelposition.

[035] Die Wippenlagerung der Rollen kann für dem Oberbegriff entsprechende Doppelrollenantriebe auch unabhängig von anderen Merkmalen der Erfindung Verwendung finden.

[036] Zu 4.: Durch Form- und Lageungenauigkeiten der Kugel, Vibrationen sowie Veränderungen in der Belastung einzelner Reibrollen durch Brems- und Beschleunigungsvorgänge unterliegt die Auflagelast starken Schwankungen. Eine zu hohe Auflagelast auf die Reibrollen hat erhöhten Abrieb und unter Umständen sogar Beschädigungen der korrespondierenden Oberflächen zur Folge. Eine zu geringe Auflagelast vermindert das übertragbare Drehmoment und führt gegebenenfalls zu einem Durchrutschen der Reibrollen.

[037] Um die negativen Wirkungen kurzzeitig auftretender starker Abweichungen von der idealen Auflagelast zu reduzieren, wird die gesamte Antriebseinheit dem vierten Hauptmerkmal der Erfindung entsprechend auf einem Führungselement befestigt, das eine kurzhubige lineare Verschiebung der Antriebseinheit in Richtung des Kugelzentrums ermöglicht.

[038] Dabei wird die Auflagelast von einer passiven Feder-Dämpfer-Kombination aufgenommen, die zwischen dem festen und dem verschiebbaren Teil des Antriebssockels angeordnet ist, und so der Auflagelast die Spitzen nimmt.

[039] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Last auf die Rollen durch ein geeignetes sensorisches Element (wie z.B. einer Kraftmessdose) erfasst und an eine Steuerung weitergegeben. Diese ermittelt in Echtzeit und im Rahmen der momentanen Bewegungsmöglichkeiten die zur Reduzierung der Amplitudenschwankung der Auflagelast notwendigen Bewegungen und steuert einen Aktuator, der zwischen dem festen und dem verschiebbaren Teil des Antriebssockels angeordnet ist. Ein solcher Aktuator kann z.B. ein elektrischer oder hydraulischer Linearantrieb sein. Eine solche Anordnung lässt sich aber auch nutzen, um bei bekannter Kugellage die Steuerung zu veranlassen bekannte Fehler der Kugelform durch eine automatische Nachführung der Rollen auszugleichen, um so einen ruhigeren Lauf der Kugel zu gewährleisten.

[040] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können solche Aktuatoren nicht nur eingesetzt werden um Amplitudenschwankungen der Auflagelast zu reduzieren, sondern im Gegenteil, um gezielt Stöße und Vibrationen auf die Kugel zu übertragen, sowie geringe Translationen der gesamten Kugel zu bewirken. Dies kann im Rahmen bestimmter Simulationsanwendungen sinnvoll sein.

[041] Die dem dritten Hauptmerkmal der Erfindung entsprechende Wippenlagerung ist dabei von großem Vorteil, da sie den Kontakt beider Rollen zur Kugeloberfläche über den gesamten linearen Verfahrweg hinweg unabhängig von der Schwenklage sicherzustellen vermag.

[042] Die in Schwenkachsenrichtung linear verfahrbare Antriebseinheit kann für dem Oberbegriff entsprechende Doppelrollenantriebe auch unabhängig von anderen Merkmalen der Erfindung Verwendung finden.

[043] Zu 5.: Wird eine transparente oder teilweise transparente Kugelhülle gefordert, stellen Staubablagerungen auf der Oberfläche ein ernstzunehmendes Problem dar, da der Staub der zwischen Rolle und Kugeloberfläche gerät die letztere mit der Zeit zerkratzt, wodurch die Durchsichtigkeit beeinträchtigt wird. Größere Staubablagerungen, die sich beispielsweise aufgrund eines längeren Stillstandes der Kugel auf der Oberfläche bilden, können auch zu einer erheblichen Reduzierung der Traktion führen. Durch die Tendenz von Kunststoff- und insbesondere von PMMA-Oberflächen sich elektrostatisch aufzuladen wird die Staubablagerung zusätzlich begünstigt.

[044] Entsprechend einer vorteilhaften Ausf hrungsform der Erfindung befinden sich im Bereich der Rollen in Rollrichtung vor und hinter der Berührungsfläche zwischen Rolle und Kugeloberfläche Absaugeinrichtungen, die den Staub von der Kugeloberfläche absaugen. Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befinden sich in diesem Bereich elektrisch geerdete Bürsten mit feinen, elektrisch leitfähigen Borsten, die eine zusätzliche Reinigung der Kugeloberfläche bewirken und außerdem elektrostatische Ladungen der Kugeloberfläche ableiten. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Reibbelag der Rollen nicht selbst elektrisch leitend ausgeführt werden kann. Um Staubablagerungen auf den Rollen im Stillstand zu reduzieren, können die Rollen mit einem Radkasten umgeben werden, der nur eine kleine Öffnung im Bereich der Auflagefläche aufweist. [045] Kurze Beschreibung von Zeichnungen

[046] Fig. 1 Simulations- und Trainingskugel

[047] Fig. 2 Funktionsschema

[048] Fig.3 3D-Darstellung Antrieb Komplett

[049] Fig. 4 3D-Darstellung Antrieb Schnitt Schwenkachse

[050] Fig. 53D-Darstellung Antrieb Schnitt Motorachse

[051] Fig. 6 Funktionsschema mit Federung

[052] Fig.7 Funktionsschema mit Linearantrieb

[053] Fig. 8 Staubschutzmaßnahmen

[054] Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

[055] Fig. 1 eine dem Oberbegriff in Anspruch 1 entsprechende Simulations- und Trainingskugel gelagert auf drei dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechenden Antriebseinheiten 1.

[056] Fig. 2 eine Schematische Darstellung einer Antriebseinheit 1, die die Hauptmerkmale 1,2 und 3 beinhaltet. Der Öffhungswinkel # ist dabei in erster Linie abhängig vom Rollenabstand X. Die Direktantriebe 7 treiben die auf der Kugelhülle 2 aufstehenden Reibrollen 3 an, die um die Reibrollenachsen 4 rotieren können (Freiheitsgrad A). Die Direktantriebe 7 sind auf der Wippe 9 befestigt, die auf der Pendelachse 5 gelagert ist und den Freiheitsgrad W besitzt. Die Gabel 10 trägt das Pendellager und ist auf dem Schwenklager 8 befestigt. Dieses erlaubt eine freie Rotation um die Schwenkachse 6 (Freiheitsgrad S).

[057] Fig. 3 eine dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend den Hauptmerkmalen 1-4. Neben den Bauelementen die schematisch in Fig. 2 gezeigt wurden ist hier das Säulenhaus 14 zu sehen, in dem die verschiebbare Hauptsäule 22 geführt ist. Diese wird in der dargestellten Ausführungsform durch einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder 19 angetrieben, der von einer zentralen (nicht dargestellten) Hydraulikeinheit über die Hydraulikleitungen 20 mit Druck beaufschlagt wird. Weiterhin sind Hydraulikleitungen 15 und 17 für die Schwenkachsenbremse 25 und für die Rollenbremsen 16 erkennbar, die diese mit Druck beaufschlagen und sie dadurch anlüften solange das System mit elektrischer Spannung versorgt wird. Die Spannungsversorgung und die Signalleitungen werden der Antriebseinheit über das Versorgungskabel 18 zugeführt. Au#erdem ist der an die Antriebseinheit angeflanschte Schaltkasten 12 dargestellt, der die Motorsteuerung und andere elektronische Bauelemente beherbergt. Das Gewicht des Schaltkastens muss durch ein Gegengewicht 13 ausgeglichen werden, um die Unwucht der Antriebseinheit zu minimieren. Dem (nicht dargestellten) Kugelgehäuse 2 zugewandt, befindet sich auf der Wippe 10 eine herausschraubbare Kugelstütze 11 mit der die Kugel für War- tungsarbeiten an der Bereifung und an den Antrieben angehoben werden kann.

[058] Fig. 4 aufgeschnitten den unteren Teil der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform. Wiederum zu sehen ist der doppeltwirkende Hydraulikzylinder 19 der über seinen Kolben 21 die Hauptsäule 22 antreibt. Diese ist durch einen Nutenstein 23 gegen Verdrehen gesichert. Auf der Hauptsäule 22 ist das Kreuzrollenlager 24 befestigt, dass die Verschwenkbarkeit der Antriebseinheit gewährleistet. Ebenfalls fest mit der Hauptsäule verbunden ist die Maßverkörperung 26 des Drehwertgebers für die Schwenkachse. Der Abnehmer 27 ist auf dem verschwenkbaren Teil der Antriebseinheit befestigt. Ebenfalls zu sehen ist die in Fail-Safe-Bauweise als Scheibenbremse ausgeführte Schwenkachsenbremse 25.

[059] Fig. 5 (zeigt) aufgeschnitten den oberen Teil der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform. Achsgleich mit der Rollenachse 4 ist die Antriebswelle 35 angeordnet, die von zwei Kegelrollenlagern 36 getragen wird. Auf der Au#enseite ist auf die Antriebswelle 35 die Reibrollenfelge 38 aufgeflanscht, die die Luftbereifung 39 trägt. Der Rotor des Direktantriebes 7 ist direkt mit der Rollenfelge 38 verbunden. Auf der Innenseite der Motorwelle befindet sich die Scheibenbremse 16 und der für die Motorsteuerung erforderliche Drehwertgeber 37. Die federbetätigte, hydraulisch gelüftete Scheibenbremse wird über die elastische Hydraulikleitung 34 mit Druck beaufschlagt. Diese wiederum wird von der hydraulischen Drehdurchführung 33 im Säulenzentrum mit Drucköl versorgt. Fig. 5 zeigt au#erdem erneut die herausschraubbare Kugelstütze 11. Weiterhin dargestellt sind die Lagerung des Wippenkörpers um die Pendelachse 5 in der Lagerbuchse 32 und die Drehdurchführungen für die elektrische Leistungsübertragung und die Signalleitungen. Die unteren vier Schleifringe 28 sind dabei der Signalübertragung, die oberen drei Schleifringe 29 der Leistungsübertragung vorbehalten. Die elektrischen Spannungen werden im Stromabnehmergehäuse 30 von den Schleifringen abgenommen und mit Hilfe des Kabelbaums 31 dem Schaltkasten 12 zugeführt.

[060] Fig. 6 die schematische Darstellung einer Antriebseinheit entsprechend den Hauptmerkmalen 1-4. Statt auf einen Hydraulikzylinders 19 wie in den Fig 2-4 dargestellt, stützt sich die Hauptsäule 22 über ein Federelement 40 auf dem Sockel 50 ab. Dem Federelement 40 ist ein Stoßdämpfer 41 beigeordnet, der die Nachfederung abdämpft.

[061] Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung einer Antriebseinheit entsprechend den Hauptmerkmalen 1-4. Statt des Hydraulikzylinders 19 in den Fig 2-4 stützt sich die Hauptsäule 22 gegenüber dem Sockel 50 auf einem elektrischen Linearantrieb 42 ab. Unterhalb des Linearantriebs 42 befindet sich eine Kraftmessdose 43, die die Auflagelast misst. Die von der Kraftmessdose 43 ermittelten Werte werden an die (nicht dargestellte) Steuerung des Linearantriebs 42 weitergegeben, die diesen veranlasst nach vorgegebenen Parametern auf den Krafteinfluss zu reagieren.

[062] Fig. 8 ein Detail einer Ausführungsform der Erfindung, die mit Staubschutzmaßnahmen versehen ist. Die auf der Kugelhülle 2 abwälzende Reibrolle 3 ist hierzu von einem Radkasten 45 umgeben. In Rollrichtung sind vor und hinter der Reibrolle 3 Saugdüsen 47 angebracht, die die Oberfläche der Kugel von Staubablagerungen befreien, bevor sie in Kontakt mit der Reibrolle 3 kommt. Um einen für die Saugwirkung idealen Abstand zur Kugelhülle zu gewährleisten ist die Saugdüse in einer Schwinge gelagert, die sich über eine Distanzrolle 48 auf der Kugeloberfläche abstützt. Die Schwinge wird dabei mit leichtem Druck von einer Andruckfeder 49 gegen die Kugelhülle gedrückt.

[063] Zusätzlich sind elektrisch leitfähige Bürsten 46 vor die Reibrolle 3 gesetzt, die eine zusätzliche Reinigung der Kugeloberfläche bewirken und elektrostatische Ladungen abführen.

[064] Bezugszeichenliste

[065] 1 Antriebseinheit

[066] 2 Kugelhülle

[067] 3 Reibrolle

[068] 4 Reibrollenachse (= Motorachse bei Direktantrieb)

[069] 5 Pendelachse

[070] 6 Schwenkachse

[071] 7 Direktantrieb

[072] 8 Schwenklager

[073] 9 Gabel

[074] 10 Wippe

[075] 11 herausschraubbare Kugelstütze

[076] 12 Schaltkasten

[077] 13 Gegengewicht für Schaltkasten

[078] 14 Säulenhaus

[079] 15 Hydraulikzuleitung für Reibrollenbremse

[080] 16 Reibrollenbremse (Fail-Safe-Bauweise)

[081] 17 Hydraulikzuleitung für Schwenkachsen-Bremse

[082] 18 Elektrischer Anschluss

[083] 19 Doppeltwirkender Hydraulikzylinder

[084] 20 Hydraulikleitungen für Hydraulikzylinder

[085] 21 Kolben

[086] 22 Hauptsäule

[087] 23 Verdrehsicherung (Nutenstein)

[088] 24 Kreuzrollenlager

[089] 25 Schwenkachsenbremse (Fail-Safe-Bauweise)

[090] 26 Drehwertgeber - Maßverkörperung

[091 ] 27 Drehwertgeber - Abnehmer

[092] 28 Schleifringe für Signalleitungen

[093] 29 Schleifringe für Leistungsübertragung [094] 30 Stromabnehmergehäuse

[095] 31 Kabelbaum zum Schaltkasten

[096] 32 Lagerbuchse (Pendellager)

[097] 33 Drehdurchführung Hydraulik

[098] 34 Hydraulikzuleitung innen für Reibrollenbremse

[099] 35 Antriebswelle

[100] 36 Antriebswellenlager

[101] 37 Drehwertgeber Motorachse

[102] 38 Reibrollenfelge

[103] 39 Bereifung

[104] 40 Feder

[105] 41 Stoßdämpfer

[ 106] 42 Elektrischer Linearantrieb

[107] 43 Kraftmessdose

[108] 44 Entlastungsfeder

[109] 45 Radkasten

[110] 46 elektrisch leitfähige Bürste

[111] 47 Saugdüse

[112] 48 Distanzrolle

[113] 49 Andruckfeder

[114] 50 Sockel Die beste Art und Weise, die Erfindung auszunutzen

[115] Der beste Weg zur Ausführung der Erfindung beinhaltet eine Kombination aller Merkmale, die in den Ansprüchen 1-11 sowie 13-15 und in den Figuren 1 bis 5 sowie 7 bis 8 dargestellt sind. Der Anspruch 12 versteht sich als preiswerte aber funktionseingeschränkte Alternative zu der in den Ansprüchen 10 und 11 und in Figur 7 dargestellten Merkmalen. Darüber hinaus verweise ich auf die Zeichnungen und die Zeichnungsbeschreibung aus denen der beste Weg zur Ausführung der Erfindung hervorgeht.

Claims

Ansprüche

[001] Antriebseinheit (1) für eine Simulations- und Trainingskugel bestehend aus zwei Reibrollen (3) die durch ein verschwenkbares Gestell (9; 10) miteinander verbunden sind und dessen Schwenkachse (6) in die Richtung des Kugelzentrums weist, sowie einer elektronischen Antriebssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Reibrollen (3) einen eigenen, unabhängig gesteuerten Antrieb (7) besitzt.

[002] Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Antriebe als elektromotorische Direktantriebe (7) ausgeführt sind, somit sich jeweils eine Rollenachse und eine Motorachse in gleicher Lage und Richtung befindet.

[003] Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (6) einen Drehwertgeber besitzt und dieser mit der Antriebssteuerung verbunden ist.

[004] Antriebseinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssteuerung aufgrund der von diesem Drehwertgeber übermittelten Drehposition einen Vergleich zwischen intendierter und tatsächlicher Rollrichtung anstellt, und bei Überschreitung eines Toleranzwertes durch eine kontrollierte Drehzahlveränderung eines oder beider Antriebe unter Verzicht auf einen separaten Schwenkmotor die Reibrollen (3) auf die intendierte Rollrichtung einschwenkt.

[005] Antriebseinheit (1 Entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rollenachsen (4) ein leicht geöffnetes V bilden, dessen Öffnung der Kugeloberfläche zugewandt ist.

[006] Antriebseinheit (1) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichmäßigen Verteilung der Auflagelast auf beide Rollen (3) das verschwenkbare Gestell zweiteilig ausgeführt ist, wobei der eine Teil als Wippe (10) ausgebildet ist der die Rollen (3) trägt und der andere Teil (9) auf der Schwenkachse (6) gelagert ist, weiterhin, dass diese beiden Teile durch eine zentrale Pendelachse (5) miteinander verbunden sind, die die Schwenkachse (6) schneidet, wobei die Pendelachse (5) dabei lotrecht auf der Ebene steht in der die Schwenkachse (6) und die beiden Rollenachsen (4) angeordnet sind.

[007] Antriebseinheit (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schwenkachse (6) zwischen unbeweglichem und verschwenkbarem Teil eine Bremse (25) oder eine Sperrvorrichtung angeordnet ist, die automatisch nach Wegfall der Stromversorgung einfällt.

[008] Antriebseinheit (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Rollen (3) eine Bremse (16) aufweist, die bei einem Wegfall der Stromversorgung automatisch einfällt, und die Kugel zum Stillstand bringt. [009] Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Kraftmesseinrichtung, die an einem beliebigen Punkt zwischen Rollen und Antriebssockel angeordnet sein kann, die Auflagelast der Kugel auf das Rollenpaar kontrolliert wird, und diese bei Unterschreitung eines Grenzwertes die Steuerung veranlasst die Schwenkachse festzusetzen.

[010] Antriebseinheit (1) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Antriebseinheit mindestens bestehend aus den beiden Reibrollen (3) und deren Lagerung, sowie einem gemeinsamen, verschwenkbaren Träger (9; 10) und dem zugehörigen Schwenklager (24) auf einem Führungselement (22) befestigt ist, das eine Translation der Antriebseinheit in Richtung des Kugelzentrums ermöglicht, wobei die Bewegung durch einen elektrischen (42) oder hydraulischen (19) Linearantrieb eingeleitet wird, dessen Stellbewegungen von den von einer &aftmesseinrichtung (43) gelieferten Werten und/oder von der Kugelform sowie der aktuellen Kugellage abhängig ist.

[011] Antriebseinheit (l)nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Simulation von Stößen ein Teil der Antriebseinheit (1) mindestens bestehend aus den beiden Reibrollen (3) und deren Lagerung, sowie einem gemeinsamen, verschwenkbaren Träger und dem zugehörigen Schwenklager (24) auf einem Führungselement (22) befestigt ist, das eine Translation der Antriebseinheit (1) in Richtung des Kugelzentrums ermöglicht, wobei die Bewegung durch einen elektrischen (42) oder hydraulischen (19) Linearantrieb eingeleitet wird.

[012] Antriebseinheit (1) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Antriebseinheit mindestens bestehend aus den beiden Reibrollen (3) und deren Lagerung, sowie einem gemeinsamen, verschwenkbaren Träger (9; 10) und dem zugehörigen Schwenklager (24) auf einem Führungselement (22) befestigt ist, das eine Translation der Antriebseinheit in Richtung des Kugelzentrums ermöglicht, und dass sich zwischen diesem verschiebbaren Teil und dem Antriebssockel (50) ein Federelement (40) befindet.

[013] Antriebseinheit (1) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibrolle durch einen Radkasten (45) vor Staubablagerungen geschützt wird.

[014] Antriebseinheit (1) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Rollrichtung vor und hinter der Reibrolle Saugdüsen (47) angebracht sind, die die Kugeloberfläche von Staubablagerungen befreien.

[015] Antriebseinheit (1) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Rollrichtung vor und hinter der Reibrolle (3) elektrisch leitfähige Bürsten (46) auf die Kugeloberfläche einwirken, die die Kugeloberfläche von Staubablagerungen und elektrostatischen Ladungen befreien.