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EP1809917A1 - Drehverbindung - Google Patents

Drehverbindung

Info

Publication number
EP1809917A1
EP1809917A1 EP05810678A EP05810678A EP1809917A1 EP 1809917 A1 EP1809917 A1 EP 1809917A1 EP 05810678 A EP05810678 A EP 05810678A EP 05810678 A EP05810678 A EP 05810678A EP 1809917 A1 EP1809917 A1 EP 1809917A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotary
connection according
rotary connection
rolling elements
raceway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05810678A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Neubert
Franz-Josef Ebert
Jürgen KLUTSCH
Gerold Sturm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Priority to EP08012885.3A priority Critical patent/EP1975426B1/de
Priority to EP08012884.6A priority patent/EP1975425B1/de
Publication of EP1809917A1 publication Critical patent/EP1809917A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/14—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load
    • F16C19/16—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load with a single row of balls
    • F16C19/163—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load with a single row of balls with angular contact
    • F16C19/166—Four-point-contact ball bearings
    • 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
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/527—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to vibration and noise
    • 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
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    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/06—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement by means of parts of rubber or like materials
    • F16C27/066—Ball or roller bearings
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/70—Diameters; Radii
    • F16C2240/80—Pitch circle diameters [PCD]
    • 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
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    • F16C2300/00—Application independent of particular apparatuses
    • F16C2300/10—Application independent of particular apparatuses related to size
    • F16C2300/14—Large applications, e.g. bearings having an inner diameter exceeding 500 mm
    • 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
    • F16C2316/00—Apparatus in health or amusement
    • F16C2316/10—Apparatus in health or amusement in medical appliances, e.g. in diagnosis, dentistry, instruments, prostheses, medical imaging appliances

Definitions

  • Rotary connection with at least one rolling bearing and with an electric motor drive unit wherein the rolling bearing is ver ⁇ seen with at least one arranged around the axis of rotation of the rolling bearing rolling element in contact with at least one drivable by the drive unit career ver ⁇ .
  • a rotary joint is described in DE 10210071 A1.
  • Integrated and low-noise rotary joint systems can be used in a variety of applications and are generally used for driving, for connection and support and for position detection of the rotating masses and their coupling to static components.
  • roller bearing slewing rings are used in computer tomographs. Furthermore, one finds the rolling bearing rotary joint in similar X-rayographic devices for examining luggage in the security area z. At airports. With the steady increase in the speeds of these applications with simultaneous requirement for reduced noise, low starting torque, small installation space, low weight and high running accuracy, known roller bearing slewing rings are unsuitable and no longer satisfy the requirements of this application.
  • the task is to create a rotary joint that meets the requirements mentioned above.
  • a measurable running noise on the electric motor driven Drehver ⁇ binding measured as airborne sound, total sound pressure level with values of at most 70 dB (A), preferably 67 dB (A).
  • the noise measurement is carried out at a 1 m horizontal distance from the bearing plane on the theoretically continued line of the axis of rotation.
  • the rolling bearing has at least one inner raceway and an outer raceway. Also conceivable are several of the raceways in the rolling bearing.
  • the rolling elements are in contact, during operation of the rolling bearing in the rolling contact, with at least one inner race and an outer race, alternatively with axially aligned raceways.
  • the rolling elements circulating in the rolling bearing cause noises in the form of structure-borne noise.
  • a structure-borne sound insulation of the rolling bearing hinders the propagation of structure-borne noise into the conversion parts and thus reduces the noise.
  • the material used for structure-borne sound insulation has an impedance ratio p of at least 3 in comparison to the material of the rolling bearing ring.
  • the impedance ratio p is defined as follows:
  • a further feature of the low-noise roller bearing is the surface area of the raceways, which is determined by a defined waviness and / or surface roughness.
  • the roughness of the raceway is not greater than Ra 0.25.
  • the indication Ra is a well-known and interna- Normalized value, which is defined as the arithmetic mean according to DIN EN 4287:
  • the well-known concept of waviness is based on the following features:
  • At least the surface of the raceway is described by any number of mutually parallel generatrices with circumferentially wavy, and thus deviating, from the imaginary about the Rotations ⁇ axis circulating perfectly circular formed ide ⁇ alverlauf, courses,
  • the courses are respectively described by waves which alternate successively in the circumferential direction (about the axis of rotation) and repeatedly cut the respective ideal course
  • the measuring range is determined by the arc length along the respective track between the respective contacts with the track of two circumferentially successive rolling elements of a row.
  • a trained according to invention low-noise rotary connection system Rolling and drive unit is compact and takes up little Bau ⁇ space. It safely absorbs high radial, axial and moment loads.
  • the direct drive is preferably an integral part of the Drehitatis ⁇ system and therefore requires no additional space.
  • the rotating rotary connection system causes particularly low speeds in all speed ranges above 100 rpm (1 / min), preferably from 160 rpm through the integration of a particularly quiet running rolling bearing, optionally combined with the structure-borne sound insulation noise levels. Due to the small number of components used and their compactness, the rotary connection can be produced cost-effectively.
  • the direct drive ensures that the drive forces of the direct drive without the interposition of other drive components (such as, for example, belts or gears, etc.), brake generator deflecting and tensioning rollers, are transferred to the rolling bearing slewing connection.
  • other drive components such as, for example, belts or gears, etc.
  • brake generator deflecting and tensioning rollers are transferred to the rolling bearing slewing connection.
  • the electric motor drive unit which is preferably integrated as a direct drive into the rotary connection, is designed as a torque motor in ring or segment construction, wherein a static component of the rotary connection is connected to at least one stator consisting of iron cores and electrical windings.
  • a static component of the rotary connection is connected to at least one stator consisting of iron cores and electrical windings.
  • One of the rotating components of the Drehver ⁇ bond is equipped with permanent magnets.
  • different engine outputs can be provided by assembling one or more individual segments up to a completely closed ring for driving with the aid of the torque motor in segment design or as a ring motor.
  • Their total drive power depends on the number and size of the stator segments used. If only low rotational speeds and small torques are required, wide gaps can be left between the individual stator segments. The torque motor is too then still operable, if only a stator segment is arranged in the case of a lower required An ⁇ drive power. At high varnish ⁇ required for active rotation, acceleration or deceleration of Dreh ⁇ connection system is then to choose the ring motor design.
  • a torque motor In contrast to the ring motor, a torque motor has to be operated in a segmented fashion in order to synchronize the magnetic forces of each individual segment, thus achieving the best possible efficiency and the lowest noise level.
  • the required input signal of the frequency converter for controlling the Seg ⁇ elements is provided according to an embodiment of the invention by the integrated sensors for position detection. If very high rotational moments are required (for example in the case of a short start-up phase of the rotating components), efficient operation of the ring motor is likewise possible due to the controlled operation. Due to the controlled operation of the drive unit, high torques can be realized with a simultaneously lower power level of the frequency converter.
  • a position measuring system can additionally be integrated into the rotary connection system with the sensor system.
  • the sensor system has at least one sensor and a signal transmitter.
  • the sensor is used for detecting signals of the signal transmitter (coding) or else several of the abovementioned components of any design.
  • the coding is formed by an elastomeric belt which is offset by alternating polarized magnetized particles (alternately north and south poles).
  • the sensor system can also have other electronic components, for example converters.
  • the rolling bearings are single-row or multi-row.
  • the rolling elements are balls or rollers that can be held in cages.
  • the material of the rolling elements and the raceways is preferably steel or any other conceivable materials, such as the materials with a density that is less than 5 grams per cubic millimeter. Such materials are, for example, ceramic materials.
  • the ratio of diameter pitch circle to the diameter of each of the rolling elements of a row is greater than 30: 1, preferably 40: 1 for such bearings, wherein the pitch circle is the imaginary circle, which is arranged concentrically to the axis of rotation and which, irrespective of possible changes in position of Wälz ⁇ body due to games in the rolling bearing which intersects parallel to the axis of rotation aligned center axes of the rolling elements
  • the central axes are in roles the rotation or symmetry axes and spheres thought by the ball center and parallel to the axis of rotation Dreh ⁇ connection extending axes.
  • the thin-ring four-point ball bearing is the simplest and most robust Lager ⁇ design. It is designed so that average axial, radial and moment loads can be safely absorbed.
  • the thin ring bearing with its low intrinsic and dimensional stability is supported by the installation in the surrounding parts.
  • wire web bearings angular contact ball bearings and roller bearings are used.
  • a conversion part is, for example, a housing in which the rolling bearing, or at least one of the bearing rings or at least one of the raceways is integrated and / or a rotor or a shaft on the / the Rolling, or at least one of the bearing rings or at least one of the raceways is arranged.
  • Figure 1 shows a rotary joint 1 with at least one roller bearing 2 and with an electric motor drive unit 3 in a partial section along the axis of rotation 2a and not shown to scale.
  • the rolling bearing 2 has a row of rolling elements 4 arranged around the axis of rotation 2 a of the rolling bearing 2.
  • the rolling elements 4 are in contact with a drivable by the An ⁇ drive track 5 on an inner ring 6 and in contact with a raceway 7 on an outer ring 8.
  • the outer ring 8 is fixed in a rotationally fixed conversion part in the form of a housing 9.
  • a structure-borne sound insulation 10 in the form of a vulcanized on the outer ring 8 insulating layer 11 made of an elastomer.
  • the insulating layer 11 is alternatively an insert.
  • a rotary motor of the drive unit 3 has permanent magnets 12 which sit directly on a rotor 13 of the rotary joint 1.
  • the rotor 13 of the rotary motor is coupled in a rotationally fixed manner to the driven raceway 5 and is separated by an air gap 14 which revolves around the axis of rotation 2 a of electrical windings of a stator 15 of the rotary motor (not shown in detail).
  • the ratio of diameter D pitch circle to the diameter K of each of the rolling elements 4 of the row is greater than 30: 1, wherein the pitch circle is the imaginary circle which is arranged concentrically to the axis of rotation 2a and the parallel to the rotation axis 2a aligned as well as in the representation plane abutting center axes 16 of the rolling Body 4 cuts.
  • the rolling elements 4 and bearing rings 6 and 8 are incheswei ⁇ se made of steel or ceramic, with combinations of rolling elements or components of the rolling bearing made of steel with components or rolling elements made of ceramic are conceivable.
  • a sensor 18 of a sensor 17 and a coding 20 with the at least relative positions in the circumferential direction between the rotor 13 to the stator 15 can be detected.
  • the sensor 17 is fixed to the stator 15, the coding 20 on the rotor 13.
  • From the sensor goes from a connecting cable 21, which can also be optionally connected to the dashed line teneute rule unit 22.
  • a connecting cable 19 leads to the drive unit 3, so that the control unit 22 can convert output signals of the sensor system 18 into input signals for controlling the torque.
  • Rolling elements 16 center axis

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)
  • Support Of The Bearing (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehverbindung (1) mit wenigstens einem Wälzlager (2) und mit einer elektromotorischen Antriebseinheit (3), wobei das Wälzlager (2) mit wenigstens einer Reihe um die Rotationsachse (2a) des Wälzlagers (2) angeordneter Wälzkörper (4), und wobei die Wälzkörper (4) im Kontakt mit mindestens einer durch die Antriebseinheit antreibbaren Laufbahn (5) stehen.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Drehverbindung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Drehverbindung mit wenigstens einem Wälzlager und mit einer elektromoto¬ rischen Antriebseinheit, wobei das Wälzlager mit wenigstens einer um die Rotationsachse des Wälzlagers angeordneten Reihe Wälzkörper im Kontakt mit mindestens einer durch die Antriebseinheit antreibbaren Laufbahn ver¬ sehen ist.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Drehverbindung ist in DE 10210071 A1 beschrieben. Integrier¬ te und geräuscharme Drehverbindungssysteme sind vielfältig einsetzbar und dienen generell zum Antrieb, zur Verbindung und Abstützung und zur Positi¬ onserfassung von den drehenden Massen und deren Ankopplung an stati- sehe Bauteile.
Katalogisierte Wälzlager-Drehverbindungen werden heute in vielen indus- triellen Anwendungen eingesetzt. Dabei handelt es sich in den meisten Fäl¬ len um Wälzlager mit Außenring und Innenring, die wahlweise mit axialen Befestigungsbohrungen und/oder -Gewinden zum Anbau und zur Befesti¬ gung an dem statischen Bauteil und der drehenden Masse versehen sind.
Im Bereich der Medizintechnik werden Wälzlager-Drehverbindungen in Computertomographen eingesetzt. Weiterhin findet man die Wälzlager- Drehverbindung in ähnlichen röntgonographischen Geräten zur Untersu¬ chung von Gepäckstücken im Sicherheitsbereich z. B. an Flughäfen. Mit dem stetigen Anstieg der Drehzahlen dieser Anwendungen bei gleichzeitiger An¬ forderung an reduziertes Geräusch, geringes Anlaufdrehmoment, kleinem Bauraum, geringes Gewicht und hoher Laufgenauigkeit sind bekannte Wälz¬ lager-Drehverbindungen ungeeignet und genügen nicht mehr den Ansprü¬ chen dieser Anwendung.
Zur Bildaufnahme- und Bildrekonstruktion der Computertomographen ist es notwendig die genaue Winkellage und Position der rotierenden Komponen¬ ten zu kennen. Hier gibt es verschiedene Messeinrichtungen die nach den verschiedenen Messprinzipen (induktiv, optisch, kapazitiv, etc.) arbeiten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe ist es, eine Drehverbindung zu schaffen, die den zuvor genann- ten Anforderungen genügt.
Diese Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruches 1 durch ein messbares Laufgeräusch an der elektromotorisch angetriebenen Drehver¬ bindung gelöst, das als Luftschall gemessen, Summenschalldruckpegel mit Werten von höchstens 70 dB(A), vorzugsweise 67 dB(A) aufweist. Die Ge¬ räuschmessung wird in 1 m horizontalen Abstand von der Lagerebene auf der theoretisch fortgeführten Linie der Rotationsachse vorgenommen. Das Wälzlager weist wenigstens eine Innenlaufbahn und eine Außenlauf¬ bahn auf. Denkbar sind auch mehrere der Laufbahnen im Wälzlager. Die Wälzkörper stehen im Kontakt, bei Betrieb des Wälzlagers im Wälzkontakt, mit zumindest einer Innenlaufbahn und einer Außenlaufbahn, alternativ auch mit axial ausgerichteten Laufbahnen.
Die im Wälzlager umlaufenden Wälzkörper verursachen Geräusche in Form von Körperschall. Je höher die Betriebsdrehzahl, desto höher wird in der Regel das erzeugte Geräusch. Eine Körperschallisolierung des Wälzlagers behindert die Ausbreitung des Körperschalls in die Umbauteile und reduziert damit die Geräuschentwicklung. Dabei ist mindestens einer der Wälzlager¬ ringe an seiner Mantel- und/oder Seitenfläche gegenüber den Umgebungs¬ teilen körperschallisoliert. Das dabei verwendete Material zur Körperschall- isolierung hat dabei im Vergleich zum Werkstoff des Wälzlagerringes ein Impedanzverhältnis p von mindestens 3. Das Impedanzverhältnis p ist wie folgt definiert:
p Impedanzverhältnis
E1 Elastizitätsmodul des Wälzlagerringes ρ1 Dichte des Wälzlagerringes
E2 Elastizitätsmodul des Isolationsmaterials p2 Dichte des Isolationsmaterials
Ein weiteres Merkmal des geräuscharmen Wälzlagers ist die Oberflächento¬ pographie der Laufbahnen, die durch eine definierte Welligkeit und/oder O- berflächenrauheit bestimmt ist. Die Rauhigkeit der Laufbahn ist auf einen Wert nicht größer als Ra 0,25. Die Angabe Ra ist ein bekannter und interna- tional normierter Wert, der als arithmetischer Mittelwert nach DIN EN 4287 definiert ist: Dem an sich auch bekannten Begriff der Welligkeit sind folgen¬ de Merkmale zugrunde gelegt:
- zumindest die Oberfläche der Laufbahn ist durch beliebig viele zuein¬ ander parallel benachbarte Mantellinien mit in Umfangsrichtung je¬ weils wellenförmigen, und damit vom gedachten um die Rotations¬ achse umlaufenden vollkommen kreislinienförmig ausgebildeten Ide¬ alverlauf abweichenden, Verläufen beschrieben,
die Verläufe sind jeweils durch in Umfangsrichtung (um die Rotations¬ achse) abwechselnd aufeinander folgende und dabei den jeweiligen Idealverlauf wiederholt schneidende Wellen beschrieben,
- Mittelwerte aus Summen aller Welligkeitsamplituden zwischen Wel¬ lenbergspitze und Wellentalsole beliebig vieler Perioden der Wellen eines Messbereiches an jeweils einer Mantellinie entsprechen maxi¬ mal einem Quotienten aus der Konstanten 0,33 in mm/min und der Drehzahl in U/min und
der Messbereich ist durch die Bogenlänge entlang der jeweiligen Laufbahn zwischen den jeweiligen Kontakten mit der Laufbahn von zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Wälzkörpern einer Reihe festgelegt.
Nach dieser Definition ergibt sich zum Beispiel für eine Betriebsdrehzahl n = 120 min"1 und einen Wälzkörperabstand = 30 mm (Nennmaß, ohne Berück¬ sichtigung etwaiger Maßabweichungen innerhalb zulässiger Toleranzgren¬ zen) eine max. zulässige Welligkeitsamplitude der Laufbahnen von 0,0028 mm.
Ein gemäß Erfindung geräuscharm ausgebildetes Drehverbindungssystem aus Wälzlager und Antriebseinheit ist kompakt und beansprucht wenig Bau¬ raum. Es nimmt hohe radiale, axiale und Momentbelastungen sicher auf. Der Direktantrieb ist vorzugsweise integraler Bestandteil des Drehverbindungs¬ systems und beansprucht daher keinen zusätzlichen Bauraum. Das rotieren- de Drehverbindungssystem verursacht in allen Drehzahlbereichen insbeson¬ dere jedoch bei Drehzahlen ab 100 U/min (1/min), vorzugsweise ab 160 U/min durch die Integration eines besonders geräuscharm ausgeführten Wälzlagers, wahlweise kombiniert mit der Körperschallisolierung, einen besonders geringen Geräuschpegel. Die Drehverbindung ist aufgrund der geringen Anzahl verwendeter Bauteile und seiner Kompaktheit kostengüns¬ tig herzustellen.
Der Direktantrieb sorgt dafür, dass die Antriebskräfte des Direktantriebs oh¬ ne Zwischenschaltung von weiteren Antriebskomponenten (wie beispielswei- se Riemen oder Zahnräder, etc.), Bremsgenerator Umlenk- und Spannrollen, auf die Wälzlager-Drehverbindung übertragen werden.
Die vorzugsweise als Direktantrieb in die Drehverbindung integrierte elekt¬ romotorische Antriebseinheit ist als Drehmomentmotor in Ring- oder Seg- mentbauweise ausgebildet, wobei ein statisches Bauteil der Drehverbindung mit wenigstens einem aus Eisenkernen und elektrischen Wicklungen beste¬ henden Stator verbunden ist. Eines der rotierenden Bauteile der Drehver¬ bindung ist mit Permanentmagneten bestückt.
Es ist weiter von Vorteil, dass mit Hilfe des Drehmomentmotors in Segment¬ bauweise oder als Ringmotor ausgebildet unterschiedliche Motorleistungen durch Zusammenstellen eines oder mehrerer Einzelsegmente bis hin zu ei¬ nem komplett geschlossenen Ring zum Antrieb bereitgestellt werden kön¬ nen. Deren Gesamtantriebsleistung ist abhängig von der Anzahl und Größe der verwendeten Statorsegmente. Werden nur geringe Drehzahlen und klei¬ ne Drehmomente benötigt, so können zwischen den einzelnen Statorseg¬ menten breite Lücken belassen werden. Der Drehmomentmotor ist auch dann noch betriebsfähig, wenn im Falle einer geringeren benötigten An¬ triebsleistung nur ein Statorsegment angeordnet ist. Bei hohem Leistungs¬ bedarf zur aktiven Drehung, Beschleunigung oder Abbremsung des Dreh¬ verbindungssystems ist dann die Ringmotorbauweise zu wählen.
Im Gegensatz zum Ringmotor muss ein Drehmomentmotor in Segmentbau¬ weise geregelt betrieben werden, damit die Magnetkräfte jedes einzelnen Segmentes miteinander synchronisiert werden und somit der bestmögliche Wirkungsgrad sowie das niedrigste Ge rausch niveau erreicht wird. Das dafür benötigte Eingangssignal des Frequenzumrichters zur Ansteuerung der Seg¬ mente ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung durch die integrierte Sensorik für die Positionserfassung bereitgestellt. Werden sehr hohe Dreh¬ momente abverlangt (z. B. bei kurzer Hochlaufphase der rotierenden Bautei¬ le), so ist ein effizienter Betrieb des Ringmotors ebenfalls durch den geregel- ten Betrieb möglich. Durch den geregelten Betrieb der Antriebseinheit sind hohe Drehmomente bei gleichzeitig geringerer Leistungsstufe des Frequen¬ zumrichters realisierbar.
Zur Positionserfassung der rotierenden Teile, z. B beim Computerto- mographen, solche zur Bildaufnahme- und Bildrekonstruktion, kann in das Drehverbindungssystem mit der Sensorik zusätzlich ein Positionsmesssys¬ tem integriert werden. Die Sensorik weist mindestens einen Sensor und ei¬ nen Signalgeber auf. Der Sensor dient zum erfassen von Signalen des Sig¬ nalgebers (Codierung) oder aber mehrere der zuvor genannten Bauteile be- liebiger Ausführung auf. So ist zu Beispiel die Codierung durch einen E- lastomergürtel gebildet, der mit wechselnd polarisiert magnetisierten Parti¬ keln (abwechselnd Nord und Südpol) versetzt ist. Die Sensorik kann auch weitere elektronische Bauteile zum Beispiel Wandler aufweisen.
In die Drehverbindung sind Wälzlager beliebiger Anzahl und beliebiger Bau¬ form eingesetzt. Die Wälzlager sind einreihig oder mehrreihig ausgeführt. Die Wälzkörper sind Kugeln oder Rollen, die in Käfigen gehalten sein können. Der Werkstoff der Wälzkörper und der Laufbahnen ist vorzugsweise Stahl oder auch alle anderen denkbaren Werkstoffe, wie die Werkstoffe mit einer Dichte, die geringer als 5 Gramm pro Kubikmillimeter ist. Derartige Werkstof¬ fe sind zum Beispiel keramische Werkstoffe.
Vorzugsweise kommen geräuscharme Dünnring-Vierpunktkugellager zum Einsatz. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist für derartige Lager das Verhältnis von Durchmesser Teilkreis zu dem Durchmesser jedes einzelnen der Wälzkörper einer Reihe größer ist als 30:1 , vorzugsweise 40:1 , wobei der Teilkreis der gedachte Kreis ist, der konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet ist und der, unbeachtlich eventueller Lageänderungen der Wälz¬ körper aufgrund von Spielen im Wälzlager, die parallel zur Rotationsachse ausgerichteten Mittenachsen der Wälzkörper schneidet Die Mittenachsen sind bei Rollen die Rotations- bzw. Symmetrieachsen und bei Kugeln ge- dachte, durch das Kugelzentrum und parallel zur Rotationsachse der Dreh¬ verbindung verlaufende Achsen.
Das Dünnring-Vierpunktkugellager ist die einfachste und robusteste Lager¬ bauform. Es ist so ausgelegt, dass mittlere Axial-, Radial- und Momentbelas- tungen sicher aufgenommen werden können. Das Dünnringlager mit dessen geringen Eigen- und Formstabilität wird unterstützt durch den Einbau in die Umgebungsteile.
Weiterhin werden Drahtbahnlager, Schrägkugellager sowie Rollenlager ver- wendet.
Das integrierte und geräuscharme Drehverbindungssystem bietet weiterhin die Möglichkeit der Integration der Wälzlagerlaufbahnen in die Umbauteile, wobei die Wälzlagerlaufbahnen dann direkt in das entsprechende Umbauteil eingearbeitet sind. Ein Umbauteil ist zum Beispiel ein Gehäuse, in das das Wälzlager, oder mindestens einer der Lagerringe oder zumindest eine der Laufbahnen integriert ist und/oder ein Rotor oder eine Welle auf dem/der das Wälzlager, oder mindestens einer der Lagerringe oder zumindest eine der Laufbahnen angeordnet ist.
Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Drehverbindung 1 mit wenigstens einem Wälzlager 2 und mit einer elektromotorischen Antriebseinheit 3 in einem Teilschnitt entlang der Rotationsachse 2a und nicht maßstäblich dargestellt. Das Wälzlager 2 weist eine um die Rotationsachse 2a des Wälzlagers 2 angeordneten Reihe Wälzkörper 4 auf. Die Wälzkörper 4 sind im Kontakt mit einer durch die An¬ triebseinheit antreibbaren Laufbahn 5 an einem Innenring 6 und im Kontakt mit eine Laufbahn 7 an einem Außenring 8. Der Außenring 8 ist in einem rotationsfesten Umbauteil in Form eines Gehäuses 9 fest.
Zwischen dem Außenring 8 und dem Gehäuse 9 eine Körperschallisolierung 10 in Form einer auf den Außenring 8 aufvulkanisierten Isolierschicht 11 aus einem Elastomer. Die Isolierschicht 11 ist alternativ eine Einlage.
Ein Drehmotor der Antriebseinheit 3 weist Permanentmagnete 12 auf, die direkt auf einem Rotor 13 der Drehverbindung 1 sitzen. Der Rotor 13 des Drehmotors ist mit der angetriebenen Laufbahn 5 drehfest gekoppelt sowie durch einen um die Rotationsachse 2a umlaufenden Luftspalt 14 von nicht detailliert dargestellten elektrischen Wicklungen eines Stators 15 des Dreh¬ motors getrennt.
Das Verhältnis von Durchmesser D Teilkreis zu dem Durchmesser K jedes einzelnen der Wälzkörper 4 der Reihe ist größer als 30:1 , wobei der Teil- kreis der gedachte Kreis ist, der konzentrisch zur Rotationsachse 2a ange¬ ordnet ist und der die parallel zur Rotationsachse 2a ausgerichteten sowie in senkrecht in die Darstellungsebene stoßenden Mittenachsen 16 der Wälz- körper 4 schneidet. Die Wälzkörper 4 und Lagerringe 6 bzw. 8 sind wahlwei¬ se aus Stahl oder aus Keramik, wobei auch Kombinationen von Wälzkörpern bzw. Bauteilen des Wälzlagers aus Stahl mit Bauteilen bzw. Wälzkörpern aus Keramik denkbar sind.
In der Drehverbindung ist eine Sensorik 18 aus einem Sensor 17 und aus einer Codierung 20, mit der zumindest relative Positionen in Umfangsrich- tung zwischen dem Rotor 13 dem Stator 15 erfassbar sind. Der Sensor 17 ist am Stator 15 fest, der Codierung 20 am Rotor 13. Von dem Sensor geht ein Verbindungskabel 21 ab, das auch wahlweise mit der gestrichelt angedeute¬ ten Regeleinheit 22 verbunden sein kann. Von der Regeleinheit 22 führt ein Verbindungskabel 19 zur Antriebseinheit 3, so dass die Regeleinheit 22 Aus¬ gangssignale der Sensorik 18 in Eingangssignale zum Regeln des Drehmo¬ tors umwandeln kann.
Bezugszeichen
Drehverbindung 12 Permanentmagnet
Wälzlager 13 Rotor
Rotationsachse 14 Luftspalt
Antriebseinheit 15 Stator
Wälzkörper 16 Mittenachse
Laufbahn 17 Sensor
Innenring 18 Sensorik
Laufbahn 19 Verbindungskabel
Außenring 20 Codierung
Gehäuse 21 Verbindungskabel
Körperschallisolierung 22 Regeleinheit
Isolierschicht

Claims

Patentansprüche
1. Drehverbindung (1) mit wenigstens einem Wälzlager (2) und mit ei¬ ner elektromotorischen Antriebseinheit (3), wobei das Wälzlager (2) wenigstens eine Reihe um die Rotationsachse (2a) angeordneter Wälzkörper (4)aufweist, und wobei die Wälzkörper (4) im Kontakt mit mindestens einer durch die Antriebseinheit (3) antreibbaren Laufbahn (5) stehen, gekennzeichnet durch ein messbares Lauf¬ geräusch an der elektromotorisch angetriebenen Drehverbindung, wobei das Laufgeräusch als Luftschall gemessen, Schalldruckpegel mit Werten von höchstens 72 dB(A) aufweist.
2. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch die Werte bei Drehzahlen der elektromotorisch durch die Antriebsein¬ heit (3) angetriebenen und um die Rotationsachse (2a) rotierenden Laufbahn (5) von mindestens 80 U/min.
3. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Oberflä¬ chenrauhigkeiten der Oberfläche der durch die Antriebseinheit (3) angetriebenen ersten Laufbahn (5) und durch Oberflächenrauhig¬ keiten der Oberfläche von zumindest einer zweiten Laufbahn (7) mit Werten Ra < 0,25, wobei die Reihe Wälzkörper (4) im Kontakt mit der zweiten Laufbahn (7) steht.
4. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
zumindest die Oberfläche der Laufbahn (5) ist durch belie¬ big viele zueinander parallel benachbarte Mantellinien mit in Umfangsrichtung jeweils wellenförmigen, und damit vom gedachten um die Rotationsachse (2a) umlaufenden voll¬ kommen kreislinienförmig ausgebildeten Idealverlauf ab¬ weichenden, Verläufen beschrieben,
- die Verläufe sind jeweils durch in Umfangsrichtung abwech¬ selnd aufeinander folgende und dabei den jeweiligen Ideal¬ verlauf wiederholt schneidende Wellen beschrieben,
der Maximalwert aller Welligkeitsamplituden zwischen WeI- lenberg und Wellental beliebig vieler Perioden eines Mess¬ bereiches an jeweils einer der Mantellinie entspricht maxi¬ mal einem Quotienten aus der Konstanten 0,33 in mm/min und der Drehzahl der angetriebenen Laufbahn in U/min und
- der Messbereich ist durch das Nennmaß der Bogenlänge entlang der Laufbahn zwischen den jeweiligen Kontakten mit der Laufbahn (5) von zwei in Umfangsrichtung aufein¬ ander folgenden Wälzkörpern einer Reihe festgelegt.
5. Drehverbindung nach Anspruch 4, gekennzeichnet, durch Mantel¬ linien mit den wellenförmigen Verläufen von zumindest einer zwei¬ ten Laufbahn (7), wobei die zweite Laufbahn (7) im Kontakt mit den Wälzkörpern (4) der Reihe Wälzkörper (4).
6. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch eine Körperschallisolierung (10) zumindest zwischen einer Laufbahn (5) und der Umgebung der Laufbahn (5) und/oder an Schnittstellen zwischen Bauteilen der Drehverbindung und/oder an Schnittstellen der Drehverbindung zur Umgebung der Drehverbindung.
7. Drehverbindung nach Anspruch 6, gekennzeichnet, durch eine Isolierschicht (11) als Körperschallisolierung (10), wobei die Isolier¬ schicht (11 ) aus mindestens einem Werkstoff ist, dessen geringer ist als das Elastizitätsmodul und/oder die Dichte des Werkstoffes eines Bauteiles sind und dabei an Bauteil die Laufbahn ausgebildet ist.
8. Drehverbindung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet, durch ein Impedanzverhältnis (p), das mindestens den Wert 3 aufweist, wobei das Impedanzverhältnis (p) ein Quotient aus einer Quadrat¬ wurzel eines Produktes aus Elastizitätsmodul (E1) und Dichte (p1}) des Werkstoffes der Laufbahn und aus der Quadratwurzel eines
Produktes aus Elastizitätsmodul (E2) und Dichte (p2) des Werkstof-
fes der Isolierschicht, also ist.
9. Drehverbindung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (11 ) aus zumindest einem Elastomerwerkstoff.
10. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch einen Lagerring (8), an dem die Laufbahn (5) ausgebildet ist.
11. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Perma¬ nentmagnete (12) eines Drehmotors der Antriebseinheit (3), die mit der angetriebenen Laufbahn (5) drehfest zu einem Rotor (13) des Drehmotors gekoppelt sind und die an einem um die Rotationsach¬ se (2a) umlaufenden Luftspalt (14) einem Stator (15) des Drehmo- tors gegenüberstehen, wobei zumindest der Stator (15) und die Permanentmagnete (12) durch den Luftspalt (14) voneinander ge¬ trennt sind.
12. Drehverbindung nach Anspruch 11 , gekennzeichnet, durch einen Rotor (13) des Drehmotors, an dem ein Lagerring (6) mit der Lauf¬ bahn (5) fest ist und an dem die Permanentmagnete (12) fest sind.
13. Drehverbindung nach Anspruch 12, gekennzeichnet, durch Ab¬ weichungen von maximal 0,5 mm vom Nennmaß der radialen Ab- messungen des Luftspaltes (14) in allen Betriebszuständen der
Drehverbindung (1 ).
14. Drehverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Durchmesser Teilkreis zu dem Durchmesser je- des einzelnen der Wälzkörper einer Reihe größer ist als 30:1 , wo¬ bei der Teilkreis der gedachte Kreis ist, der konzentrisch zur Rotati¬ onsachse (2a) angeordnet ist und der die parallel zur Rotations¬ achse (2a) ausgerichteten Mittenachsen (16) der Wälzkörper (4) schneidet.
15. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch zumin¬ dest einige der Wälzkörper (4) der Reihe aus einem Werkstoff mit der Dichte p < = 5 g/cm3.
16. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch zumin¬ dest einige der Wälzkörper (4) der Reihe aus einem gegen elektri¬ schen Strom isolierenden Werkstoff, wobei der spezifische elektri¬ sche Widerstand des Werkstoffes größer 1010 Ohm - mm7m ist.
17. Drehverbindung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch eine Sensorik (18) in der Drehverbindung (1), mit der zumindest relative Positionen in Umfangsrichtung zwischen einem Rotor (13) eines Drehmotors der Antriebseinheit (3) und dem Stator (15) des Dreh¬ motors erfassbar sind, wobei der Rotor (13) drehfest mit der Lauf¬ bahn (5) gekoppelt ist.
18. Drehverbindung nach Anspruch 17, gekennzeichnet, durch eine mit dem Drehmotor und der Sensorik (18) gekoppelte Regeleinheit (22) zur Umsetzung von Ausgangssignalen der Sensorik (18) in Eingangssignale zum Regeln des Drehmotors.
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