CN101065588B - 旋转连接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转连接装置(1)，其具有至少一个滚动轴承(2)和一个电动的驱动单元(3)，其中滚动轴承(2)设有至少一列环绕滚动轴承的旋转轴线(2a)设置的滚动体(4)，其中所述滚动体(4)与至少一个可通过驱动单元驱动的滚道接触。

Description

旋转连接装置
技术领域
本发明涉及一种旋转连接装置，其具有至少一个滚动轴承和一个电动的驱动单元，其中滚动轴承设有至少一列围绕滚动轴承的旋转轴线设置的滚动体，所述滚动体与至少一个可通过驱动单元驱动的滚道接触。
背景技术
一个这种类型的旋转连接装置在DE 10210071A1中描述。一体的且噪声小的旋转连接系统可以多方面应用，并且通常用于驱动、连接及支承旋转质量，并且用于测定旋转质量的位置，并且用于将它们连接在固定的构件上。
这种类型的滚动轴承-旋转连接装置如今在许多工业领域中应用。这种滚动轴承在大多数情况下具有外环和内环，它们选择性地设有轴向的固定孔和/或固定螺纹用于安装和固定在固定构件及旋转质量上。
在医学领域内滚动轴承-旋转连接装置应用在CT(ComputerTomography)中。此外滚动轴承-旋转连接装置应用在类似的X射线照相设备中，以在安全领域例如飞机场中检查包裹件。在这种应用中随着转速的不断上升，同时需要减小的噪声、较小的启动转矩、较小的构造空间、较小的重量和较高的运转精确性，已知的滚动轴承-旋转连接装置是不合适的并且不再满足这种应用的需求。
为了CT的摄像及图形复制，必须获悉旋转元件的精确的角位置和位置。在此存在不同的测量装置，它们根据不同的测量原理(感应、光学、电容等)工作。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种开头所述类型的旋转连接装置，其能够随着转速的不断上升实现减小的噪声、较小的启动转矩、较小的构造空间、较小的重量和较高的运转精确性。
为此，本发明提供一种旋转连接装置，其具有至少一个滚动轴承和一个电动的驱动单元，其中滚动轴承设有至少一列环绕旋转轴线设置的滚动体，其中所述滚动体与至少一个可通过驱动单元驱动的第一滚道接触，以及，还有至少一个第二滚道与滚动体列的滚动体相接触，其特征在于，至少第一滚道的表面通过任意许多彼此平行相邻的外形轮廓线描述，所述外形轮廓线具有沿圆周方向分别呈波浪形的并且因此与虚拟的环绕旋转轴线的完全圆周形构成的理想走向相偏离的走向；所述与理想走向相偏离的走向分别通过在圆周方向上交替地依次相继的且因此与相应的理想走向反复相交的波浪形描述；在每个外形轮廓线上一个测量区域的任意许多周期的波峰与波谷之间的所有波浪性振幅的最大值最大对应于0.33mm/min的常值与单位为rpm的被驱动的第一滚道的转速之比；测量区域通过滚动体列的两个在圆周方向上依次相继的滚动体与第一滚道的相应接触点之间沿该第一滚道的弧长度的公称尺寸确定；其中，电动驱动的旋转连接装置上的运行噪声作为空气噪声被测量，具有最高72dB(A)的声压级。
噪声小的滚动轴承的一个特征是滚道的表面地形，其通过定义的波浪性和/或表面粗糙度确定。滚道的粗糙度的值不大于Ra 0.25。参数Ra是一个已知的国际性的比值，其定义为根据DIN EN 4287的算术平均值。
上述目的根据本发明如此实现，即通过驱动单元驱动的第一滚道的表面的表面粗糙度以及至少一个第二滚道的表面的表面粗糙度的值Ra小于0.25，其中滚动体列与第二滚道处于接触；其中，电动驱动的旋转连接装置上的运行噪声作为空气噪声被测量，具有最高72dB(A)的声压级。
上述目的根据本发明也如此实现，即至少第一滚道的表面通过任意许多彼此平行相邻的外形轮廓线描述，它们具有沿圆周方向分别呈波浪形的并且因此与虚拟的环绕旋转轴线的完全圆周形构成的理想走向相偏离的走向；所述与理想走向相偏离的走向分别通过在圆周方向上交替地依次相继的且因此与相应的理想走向反复相交的波浪形描述；在每个外形轮廓线上一个测量区域的任意许多周期的波峰与波谷之间的所有波浪性振幅的最大值最大对应于0.33mm/min的常值与单位为rpm的被驱动的滚道的转速之比；测量区域通过滚动体列的两个在圆周方向上依次相继的滚动体与滚道的相应接触点之间沿滚道的弧长度的公称尺寸确定；其中，电动驱动的旋转连接装置上的运行噪声作为空气噪声被测量，具有最高72dB(A)的声压级。
根据这个定义，例如在运行转速n＝120/min和滚动体间距＝30mm(公称尺寸，没有考虑在允许的公差范围内的可能的尺寸偏差)的情况下产生滚道的最大允许的波浪性振幅0.0028mm。
根据本发明，电动驱动的旋转连接装置上可测量的运行噪声作为空气噪声被测量，其具有最高72dB(A)的声压级，优选为67dB(A)。噪声测量在与旋转轴线的理论延伸线上的轴承平面的1m水平距离处实施。
滚动轴承具有至少一个内滚道和一个外滚道。也可以考虑在滚动轴承中存在多个滚道。滚动体在滚动轴承运行时在滚动接触时与至少一个内滚道和一个外滚道相接触，或也与轴向定向的滚道相接触。
在滚动轴承中环绕的滚动体引起结构噪声形式的噪声。运行转速越高，那么通常所产生的噪声越大。滚动轴承的结构噪声绝缘阻止结构噪声扩展到封闭构件中并且因此减小噪声发展。在此至少一个滚动轴承环在其外壳面和/或侧面相对于封闭构件结构噪声绝缘。在此用于结构噪声绝缘的材料相对于滚动轴承环的材料具有至少为3的阻抗比。阻抗比p按如下限定：
p = E 1 × ρ 1 E 2 × ρ 2
p：阻抗比
E1：滚动轴承环的弹性模量
ρ1：滚动轴承环的密度
E2：绝缘材料的弹性模量
ρ2：绝缘材料的密度
根据本发明的噪声低的包括滚动轴承和驱动单元的旋转连接系统是紧凑的并且需要较小的构造空间。它可靠地接受高的径向负载、轴向负载及扭矩负载。直接驱动装置优选是旋转连接系统的一体组成部分并且因此不需要附加的构造空间。旋转的旋转连接系统在所有的转速范围内、然而特别是从100rpm的转速、优选从160rpm的转速起通过整合一个特别是噪声低构成的滚动轴承，在选择性地与结构噪声绝缘装置
Figure GSB00000014552100041
相结合的情况下，导致特别低的噪声级。旋转连接装置基于所使用的较小数量的构件和其紧凑性可以便宜地制造。
直接驱动装置用于将直接驱动装置的驱动力在没有中间设置其它驱动元件(例如皮带或齿轮等)、制动器、转向辊或夹紧辊的情况下传递至滚动轴承-旋转连接装置。
优选构成为直接驱动装置的、整合到旋转连接装置中的电动驱动单元构成为环或分段构造方式的转矩电机，其中旋转连接装置的固定构件与至少一个由铁心和电线圈组成的定子连接。旋转连接装置的旋转构件的其中一个配备永久磁铁。
此外有利的是，借助于分段构造方式的或构成为环形电机的转矩电机通过一个或多个单个分段的组合直至一个完全封闭的环可以提供不同的电机功率以用于驱动。其全部驱动功率取决于所使用的定子分段的数量和大小。如果仅仅需要低转速和小转矩，那么在各单个定子分段之间可以留出宽的间隙。当在所需的驱动功率较小的情况下仅设置一个定子分段时，转矩电机也可以运行。在高的功率需求时为了有效地转动、加速或制动旋转连接系统可以选择环形电机构造方式。
与环形电机不同，分段构造方式的转矩电机必须被调节地驱动，以便每个单个的分段的磁铁力彼此同步并且因此达到最佳的效率以及最低的噪声级。为此所需要的用于控制各分段的变频器的输入信号根据本发明的构造通过整合的用于位置测定的传感器体(Sensorik)提供。如果需要非常高的转矩(例如在旋转的构件的短的起动阶段时)，那么同样通过调节的运行可以实现环形电机有效的运行。通过驱动单元的调节的运行可以在变频器的同时较小的功率级时实现高的转矩。
为了测定旋转构件的位置，例如在CT时为了摄像及图形复制，可以在具有传感器体的旋转连接系统中附加地整合一个位置测量系统。传感器体具有至少一个传感器和一个信号传感器。传感器用于测定信号传感器(编码器)的信号或具有多个上述任意构造的构件。从而例如编码器通过一个弹性体带子构成，其配备有交替极性的磁性粒子(交替为北极和南极)。传感器体也可以具有其它的电子构件例如转换器。
在旋转连接装置中应用任意数目的和任意构造的滚动轴承。滚动轴承构成为单列或多列的。滚动体是滚珠或滚柱，它们可以保持在保持架中。滚动体和滚道的材料优选是钢或所有其它可以考虑的材料，例如密度小于5g/mm3的材料，这种类型的材料例如是陶瓷材料。
优选使用低噪声的薄环-四点球轴承。根据本发明的一个构造，对于这种类型的轴承而言，滚动体列的分度圆的直径与每个单个滚动体的直径之比大于30∶1，优选40∶1，其中分度圆是一个虚拟的圆，其同心于旋转轴线设置并且在不考虑由于滚动轴承中的间隙可能的滚动体位置变化的情况下与滚动体的平行于旋转轴线定向的中心轴线相交。中心轴线在滚柱的情况下是旋转或对称轴线，在滚珠的情况下是假想的穿过滚珠中心、平行于旋转连接装置的旋转轴线延伸的轴线。
薄环-四点球轴承是最简单的且最稳固的轴承构造。它构造成可以接受中间的轴向负载、径向负载及扭矩负载。具有较小的方向稳定性和形状稳定性的薄环轴承通过安装到封闭构件中得到支持。
此外使用钢丝滚道轴承、径向推力球轴承以及滚子轴承。
整合的低噪声的旋转连接系统此外提供了将滚动轴承滚道整合到封闭构件中的可能性，其中滚动轴承滚道而后直接加工到相应的封闭构件中。封闭构件例如是一个壳体，在该壳体中整合滚动轴承或至少一个轴承环或至少一个滚道，和/或一个转子或轴设置在滚动轴承或至少一个轴承环或至少一个滚道上。
附图说明
图1示出一个具有至少一个滚动轴承2以及一个电动的驱动单元3的旋转连接装置的沿旋转轴线2a的部分剖视图且未按原尺寸示出。
具体实施方式
滚动轴承2具有一列围绕滚动轴承2的旋转轴线2a设置的滚动体4。滚动体4与一个位于内环6上的可通过驱动单元驱动的滚道5接触，并且与位于一个外环8上的滚道7接触。外环8固定在一个壳体9形式的旋转固定的封闭构件中。
在外环8和壳体9之间存在一个结构噪声绝缘装置10，其形式为一个硫化在外环8上的、由弹性体组成的绝缘层11。绝缘层11也可以是一衬里。
驱动单元3的旋转电机具有一个永久磁铁12，其直接位于旋转连接装置1的转子13上。旋转电机的转子13与被驱动的滚道5旋转固定地连接并且通过一个围绕旋转轴线2a的空气间隙14与一旋转电机的一定子15的一个未详细示出的电线圈分离。
滚动体列的分度圆的直径D与每个单个滚动体4的直径K之比大于30∶1，其中分度圆是一个假想的圆，其同心于旋转轴线2a设置并且与滚动体4的平行于旋转轴线2a定向的中心轴线16相交。滚动体4和轴承环6或8选择性地由钢或陶瓷制成，其中也可以考虑由钢制成的滚动体或滚动轴承的构件与由陶瓷制成的构件或滚动体相组合。
在旋转连接装置中设置一个由一传感器17和一个编码器(Codierung)20组成的传感器体18，借助于该传感器体至少可以测量转子13和定子15之间沿圆周方向的相对位置。传感器17固定在定子15上，编码器20固定在转子13上。从传感器引出连接导线21，其也可以选择性地与虚线示出的调整单元22连接。从调整单元22引出一个连接导线19通向驱动单元3，从而调整单元22可以将传感器体18的输出信号转换成用于调整旋转电机的输入信号。
附图标记清单
1 旋转连接装置
2 滚动轴承
2a旋转轴线
3 驱动单元
4 滚动体
5 滚道
6 内环
7 滚道
8 外环
9 外壳
10结构噪声绝缘装置
11绝缘层
12永久磁铁
13转子
14空气间隙
15定子
16中心轴线
17传感器
18传感器体
19连接导线
20编码器
21连接导线
22调整单元

Claims (16)

1.旋转连接装置(1)，其具有至少一个滚动轴承(2)和一个电动的驱动单元(3)，其中滚动轴承(2)设有至少一列环绕旋转轴线(2a)设置的滚动体(4)，其中所述滚动体(4)与至少一个可通过驱动单元(3)驱动的第一滚道(5)接触，以及，还有至少一个第二滚道(7)与滚动体列的滚动体(4)相接触，其特征在于，
至少第一滚道(5)的表面通过任意许多彼此平行相邻的外形轮廓线描述，所述外形轮廓线具有沿圆周方向分别呈波浪形的并且因此与虚拟的环绕旋转轴线(2a)的完全圆周形构成的理想走向相偏离的走向；
所述与理想走向相偏离的走向分别通过在圆周方向上交替地依次相继的且因此与相应的理想走向反复相交的波浪形描述；
在每个外形轮廓线上一个测量区域的任意许多周期的波峰与波谷之间的所有波浪性振幅的最大值最大对应于0.33mm/min的常值与单位为rpm的被驱动的第一滚道的转速之比；
测量区域通过滚动体列的两个在圆周方向上依次相继的滚动体与第一滚道(5)的相应接触点之间沿该第一滚道的弧长度的公称尺寸确定；
其中，电动驱动的旋转连接装置上的运行噪声作为空气噪声被测量，具有最高72dB(A)的声压级。
2.如权利要求1所述的旋转连接装置，其特征在于，通过驱动单元(3)电动驱动的且围绕旋转轴线(2a)旋转的第一滚道(5)的转速值最低为80rpm。
3.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于，至少一个第二滚道(7)具有波浪形走向的外形轮廓线。
4.如权利要求1所述的旋转连接装置，其特征在于，设有一结构噪声绝缘装置(10)，其至少位于一个第一滚道(5)与第一滚道(5)周围环境之间和/或在旋转连接装置的各构件之间的界面处和/或在旋转连接装置与旋转连接装置的周围环境的界面处。
5.如权利要求4所述的旋转连接装置，其特征在于一绝缘层(11)作为结构噪声绝缘装置(10)，其中绝缘层(11)由至少一种材料制成，所述材料的弹性模量小于一构成第一滚道的构件的材料的弹性模量，和/或所述绝缘层的材料的密度小于所述构成第一滚道的构件的材料的密度。
6.如权利要求5所述的旋转连接装置，其特征在于，用于结构噪声绝缘的材料相对于构成第一滚道的构件的材料具有至少为3的阻抗比(p)，其中阻抗比(p)为第一滚道的材料的弹性模量(E1)和密度(ρ1)的乘积的平方根与绝缘层的材料的弹性模量(E2)和密度(ρ2)的乘积的平方根之比，即
Figure FSB00000014552000021
7.如权利要求5或6所述的旋转连接装置，其特征在于，所述绝缘层(11)由至少一种弹性体材料制成。
8.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于，设有一轴承环(8)，第一滚道(5)构成在所述轴承环上。
9.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于驱动单元(3)的旋转电机的永久磁铁(12)，所述永久磁铁与被驱动的第一滚道(5)旋转固定地连接到旋转电机的一转子(13)上并且所述永久磁铁在一个环绕旋转轴线(2a)的空气间隙(14)处与旋转电机的定子(15)对置，其中至少定子(15)与永久磁铁(12)通过空气间隙(14)彼此分离。
10.如权利要求9所述的旋转连接装置，其特征在于旋转电机的转子(13)，一具有第一滚道(5)的轴承环(6)固定在所述转子上并且永久磁铁(12)固定在所述转子上。
11.如权利要求10所述的旋转连接装置，其特征在于在旋转连接装置(1)的所有运行状态下最多与空气间隙(14)的径向尺寸的公称尺寸偏离0.5mm。
12.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于滚动体列的分度圆的直径与每个单个滚动体的直径之比大于30∶1，其中分度圆是一个虚拟的圆，其同心于旋转轴线(2a)设置并且与滚动体(4)的平行于旋转轴线(2a)定向的中心轴线(16)相交。
13.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于滚动体(4)列中的至少一部分滚动体由密度ρ＜＝5g/cm3的材料制成。
14.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于滚动体(4)列中的至少一部分滚动体由一种相对于电流绝缘的材料制成，其中该材料的比电阻大于1010Ω·mm2/m。
15.如权利要求1或2所述的旋转连接装置，其特征在于旋转连接装置(1)中的传感器体(18)，借助于该传感器体至少可以测量驱动单元(3)的旋转电机的一转子(13)与旋转电机的定子(15)之间沿圆周方向的相对位置，其中转子(13)与第一滚道(5)旋转固定地连接。
16.如权利要求15所述的旋转连接装置，其特征在于，设有一个与旋转电机和传感器体(18)连接的调整单元(22)，以将传感器体(18)的输出信号转换成用于调整旋转电机的输入信号。
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