DE19524839A1 - Radial und longitudinal undeformierbare, biegsame Welle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf biegsame Wellen zur Übertragung eines Drehmomentes, die gleichzeitig gegen­ über angelegten axialen Zug- und Druckkräften widerstands­ fähig sind.

Die Aufgabe, welche die vorliegende Erfindung lösen soll, ist die Schaffung einer biegsamen Welle, die zur Übertragung von Drehmomenten geeignet ist, ohne daß sie irgendwelche Deformationen in Radial- oder Längsrichtung auf Grund von Beanspruchungen aus der gleichzeitigen Ein­ wirkung des genannten Drehmomentes und einem axialen Zug oder Druck erleidet.

Es existieren bereits jetzt biegsame Wellen, beispielsweise eine solche, die in der DE-A1-42 08 221 beschrieben ist und als Katheter verwendet wird, wobei nur relativ kleine radiale und axiale Kräfte zu übertragen sind. Die biegsame Welle besteht aus koaxialen schraubenförmigen Spiralwindun­ gen, die jeweils einen Wicklungssinn aufweisen, welcher demjenigen der benachbarten Spirale entgegengesetzt ist. Dieses Dokument offenbart weiterhin Spiralen unterschied­ licher Länge, wobei bei scharfen Biegungen des Katheters weniger Spiralen verwendet werden.

Die US-Patentschrift Nr. 3 435 905 offenbart weiterhin ein Winkelantriebswerkzeug zur Übertragung eines Drehmomentes, jedoch keiner Axialkräfte. Die biegsame Hülle besteht aus einem Paar von Schraubenfedern, die koaxial ineinanderge­ schoben und im Gegensinn gewunden sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine biegsame Welle anzugeben, die in der Lage ist, sowohl radiale als auch axiale Kräfte ohne Verformung der Welle zu übertragen, d. h. mit nur kleinen Verlusten der angelegten Kräfte.

Diese Aufgabe wird mit einer biegsamen Welle gelöst, die zur Übertragung sowohl eines Drehmomentes als auch von Axialkräften geeignet ist. Diese biegsame Welle besteht aus mindestens zwei koaxialen schraubenförmigen Spiralen mit der gleichen axialen Länge. Jede Spirale hat einen Wicklungssinn, der dem Wicklungssinn der benachbarten Spi­ rale oder Spiralen entgegengesetzt ist, und der Außen­ durchmesser jeder Spirale ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der jeweils umgebenden Spirale. Die Enden der Spiralen sind miteinander und mit den Enden eines nicht dehnbaren, biegsamen Organs verbunden, welches sich durch das Innere des Hohlraumes erstreckt, der vom Inneren der Spirale mit dem kleinsten Durchmesser gebildet wird, wobei dieses biegsame Organ eine Länge besitzt, die gleich der Länge der Spiralen ist, wie sie entlang deren Achse gemes­ sen wird, wenn sich die gleichen Spiralen in ihrer geboge­ nen Betriebsstellung und unter den Bedingungen befinden, für die sie zur Übertragung des genannten Drehmomentes aus­ gebildet sind. Die biegsame Welle, die auf diese Weise ge­ bildet wird, ist demnach sowohl radial als auch longitudi­ nal während der Übertragung eines Drehmomentes mit einer vorbestimmten Drehrichtung und/oder einer axial gerichteten Kraft undeformierbar.

Die eben definierte Lösung der oben angesprochenen Aufgabe macht es möglich, biegsame Wellen in einer Vielzahl von technischen Anwendungen zu benutzen, beispielsweise in Apparaten für medizinische oder zahnärztliche Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, daß sie mit besonderer, über­ durchschnittlicher Genauigkeit ausgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung einer derartigen biegsamen Welle in einer Spannvorrichtung für Matrizen in der Dentaltechnik, die es gestattet, bezüglich Handhabung und Verläßlichkeit beson­ dere Ergebnisse zu erzielen.

Die vorliegenden Erkenntnisse und die genannte Vorrichtung sollen nun näher besprochen werde, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen vergrößerten Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen biegsamen Welle;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Längsschnittes eines Spannapparates mit einem eine Matrize spannenden Greifer unter Verwendung der biegsamen Welle gemäß vorliegender Erfindung; und

Fig. 3 den vergrößerten Längsschnitt des Teiles des Apparates gemäß Fig. 2 mit der biegsamen Welle.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine biegsame Welle 1 dargestellt bei der drei schraubenförmige Spiralen 2, 3 und 4, hergestellt aus einem Metalldraht und mit der gleichen Länge, koaxial angeordnet sind, wobei die Wicklungsrichtung der Spirale 3 den Wicklungsrichtungen der Spiralen 2 und 4 entgegengesetzt ist. Der Außendurchmesser der beiden in­ neren Spiralen 2 und 3 ist jeweils gleich dem Innendurch­ messer der umgebenden Spirale 3 bzw. 4, so daß diese Spi­ ralen stets in Berührung miteinander stehen, selbst wenn ihre Längsachse deformiert wird, wenn die biegsame Welle 1 gebogen wird.

Im Inneren des Hohlraums, der in der innersten Spirale 2 definiert wird, d. h. der Spirale mit dem kleinsten Durchmesser der drei Spiralen, befindet sich ein biegsames Organ 5, hergestellt vorzugsweise aus Metall, welches eine Länge besitzt, die der Länge L der Spiralen 2, 3 und 4 gleich ist, gemessen entlang deren Achse. Die freien Enden 5′, 5′′ des Organs 5 werden mit den freien Enden der genann­ ten Spiralen zu einer Einheit verbunden, wenn sich diese Spiralen 2, 3, 4 in ihrer gebogenen Arbeitsstellung, d. h. in einer Stellung befinden, in der sie bestimmungsgemäß ein Drehmoment und/oder axiale Zug- oder Druckkräfte über­ tragen sollen.

Wenn man an das eine Ende einer solchen Welle ein Dreh­ moment anlegt, welches von der Welle an eine andere Vor­ richtung übertragen werden soll, könnte es je nach der Richtung des angelegten Drehmoments beispielsweise vorkom­ men, daß beide Spiralen 2 und 4 die Neigung zeigten, eine Relativbewegung ihrer Enden 2′, 2′′ gegenüber 4′, 4′′ auszu­ führen, und demgemäß würde sich ihr Außendurchmesser er­ höhen wollen, weil sich bei unveränderter, festgelegter Länge die Steigung ihrer Windung erhöht.

Die Erhöhung des Durchmessers der Spirale 2 wird jedoch durch die Spirale 3 verhindert, die sie von außen umschließt und berührt und welche, im Sinne entgegengesetz­ ter Wirkungen bezüglich der eben beschriebenen, die Neigung hat, ihren Durchmesser zu erhöhen, weil sie einen anderen Wicklungssinn aufweist.

Da sich der Durchmesser der Spirale 2 nicht erhöhen kann, wird eine Relativbewegung ihrer Enden demgemäß verhindert, und es folgt daraus, daß auch eine Relativbewegung der Enden 4′, 4′′ der äußeren Spirale 4, die mit den Enden 2′ bzw. 2′′ verbunden sind, unmöglich bzw. vernachlässigbar klein wird, obwohl auf die Spirale 4 keine Gegenkraft einwirkt.

Wenn ein Drehmoment mit entgegengesetzter Richtung analog und symmetrisch zum ersten Beispiel angelegt wird, wird eine Abnahme des Durchmessers der äußersten Spirale 4 durch die Spirale 3 verhindert, welche im Gegensatz dazu die Neigung besitzt, ihren Durchmesser zu vergrößern, und die gegenseitige entgegengesetzte Wirkung der genannten Spiralen verhindert jede Relativdrehung ihrer jeweiligen Enden 3′, 3′′ und 4′, 4′′ und demgemäß auch zwischen den En­ den 2′, 2′′ der Spirale 2, welcher von keiner anderen Spira­ le entgegengewirkt wird, weil die genannten freien Enden fest mit den oben genannten freien Enden der beiden anderen Spiralen 3 und 4 verbunden sind.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß unabhängig von der Art der Biegebeanspruchung der Spiralen 2, 3, 4 ein an die biegsame Welle angelegtes Drehmoment keinerlei Deformation der Welle 1 in Radialrichtung verursacht. Ihre Drehung im Inneren einer steifen Hülle 13, welche so geformt ist, daß die biegsame Welle 1 auf gewünschte Art gebogen ist, kann frei und glatt ablaufen, ohne daß irgendwelche durch Reibung verursachte Beanspruchungen zwischen der Spirale und der Umhüllung auftreten.

Das bereits erwähnte biegsame Organ 5, das mit seinen Enden 5′ und 5′′ fest mit den Enden der genannten Spiralen verbunden ist und aus einem metallischen Werkstoff besteht, der sich durch die Beanspruchungen, für die er ausgelegt ist, nicht gedehnt oder zusammengedrückt wird, verhindert mögliche Deformationen der Welle 1 in Längsrichtung; eine solche Längenänderung der Welle wäre möglich, wenn ledig­ lich die Spiralen 2, 3, 4 anwesend wären, welche selbstver­ ständlich als elastische Schraubenfedern unter dem Einfluß von Druck oder Zug deformiert würden.

Um die Möglichkeit selbst sehr geringen Spiels aus zu­ schalten, was zu entsprechenden Deformationen führen würde, ist das biegsame Organ 5 derart ausgeführt, daß, wie oben schon kurz erwähnt, es sich in seiner normalen, in Längs­ richtung ausgedehnten Lage befindet, wobei seine Enden mit den Enden der Spiralen 2, 3, 4 integral verbunden werden, wenn sich diese gebogen in ihrer vorgesehenen Betriebs­ stellung befinden, in der sie ein Drehmoment übertragen sollen; zu dieser Übertragung trägt andererseits auch das biegsame Organ 5 in gewissem Ausmaß bei.

Um die Enden 5′ und 5′′ des biegsamen Organs 5 integral mit den Enden der Spiralen 2, 3 und 4, welche vorzugsweise ebenfalls aus Metall wie demjenigen des biegsamen Organs 5 bestehen, zu verbinden, so besteht eine bevorzugte Arbeitsweise darin, zwei Plasma-Stumpfschweißungen 6, 7 mit einem Werkstoff anzubringen, der mit den Materialien verträglich ist, aus denen die Spiralen und das biegsame Organ bestehen.

Wenn eine biegsame Welle gewünscht wird, welche in Längs­ richtung und auch in Radialrichtung unter dem Einfluß eines Drehmoments undeformierbar ist, welches nur in einer Vorzugsrichtung einwirken soll, so wird die Aufgabe natür­ lich vereinfacht. Wenn man analoge Überlegungen wie oben anstellt, könnte man sich eine biegsame Welle vorstellen, die nur zwei koaxiale Spiralen aufweist (dieser Fall ist in den beigelegten Figuren nicht dargestellt). Dabei neigt die äußere Spirale dazu, unter der Einwirkung einer Rela­ tivbewegung ihrer Enden enger zu werden, und zwar gemäß der Richtung des angelegten Drehmoments, und die innere Spirale hat die Tendenz, sich radial auszudehnen, wobei eine Gegenwirkung zustandekommt, welche bereits oben er­ läutert worden ist.

Eine praktische Anwendung einer erfindungsgemäßen biegsamen Welle, wie sie oben beschrieben wurde, ist die Verwendung auf dem Gebiet der Geräte für Dentalchirurgie, wie sie nachstehend beschrieben wird.

Dieser Fall bezieht sich auf die Spannungsmatrize und eine Spannvorrichtung mit einem Spanngreifer zur zahnärztlichen Verwendung. Eine solche Einrichtung ist in der Inter­ nationalen Patentanmeldung Nr. PCT/EP93/02940 des gleichen Anmelders geoffenbart.

Eine solche Einrichtung dient zur Drehung des Drehstiftes und ist in der Lage, einen axialen Zug und einen axialen Druck auf verschiedenen Teile und Organe auszuüben, um die in der obigen Veröffentlichung beschriebenen, hier nicht weiter zu erläuternden Funktionen zu erfüllen.

Gemäß dem Stande der Technik mußte bis heute der Apparat mit zwei getrennten Teilen ausgerüstet werden, welche erforderlich waren, die oben erwähnten Drehungen und axialen Verschiebungen unabhängig voneinander auszuführen, und das Ergebnis war eine beträchtlich umständliche, nicht optimale Handhabung und Bedienung.

Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen biegsamen Welle konnte aber ein Apparat gebaut werden, bei dem nur ein Betätigungselement beide Arten von Funktionen ausüben kann. In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 2 und 3 verwiesen.

Die betreffende Spannvorrichtung weist einen Handgriff 9 bekannter Art auf sowie einen Betätigungsmechanismus 10, welcher durch Druck auf einen Knopf 15 das Ende der erfindungsgemäßen, undeformierbaren biegsamen Welle 21 axial verschiebt und/oder dreht, um sowohl in Axialrichtung eine Kupplung mit bzw. ein Ausrücken aus dem Greifer 10 als auch die Rotation dessen Drehstiftes 12 zu bewirken.

Dieses Ergebnis beruht im wesentlichen auf der Nichtver­ formbarkeit der biegsamen Welle 21 sowohl in radialer als auch in longitudinaler Richtung, welche alle ihre Funk­ tionen erfüllen kann, selbst wenn sie praktisch rechtwink­ lig im Inneren einer steifen Hülle 13 umgebogen ist, die mit dem Handgriff 9 gekoppelt ist, und sie kann in der Hül­ le unter Belastung gleiten und sich drehen, ohne daß Rei­ bung, Festklemmen und Bewegungsungenauigkeiten auftreten, die die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung wegen der be­ grenzten Größe des Matrizenspanngreifers und der relativ sehr hohen Belastung vollständig beeinträchtigen würden.

Claims (3)

1. Biegsame Welle zur Übertragung sowohl eines Drehmomen­ tes als auch von Axialkräften, bestehend aus mindestens zwei koaxialen schraubenförmigen Spiralen, wobei jede Spi­ rale einen Wicklungssinn aufweist, der dem Wicklungssinn der benachbarten Spirale oder Spiralen entgegengesetzt und der Außendurchmesser jeder Spirale im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der jeweils umgebenden Spirale ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralen (2, 3, 4) die gleiche axiale Länge (L) aufweisen und deren Enden (2′, 2′′, 3′, 3′′, 4′, 4′′) miteinander und mit den Enden (5′, 5′′) eines nicht dehnbaren, biegsamen Organs (5) verbunden sind, welches sich durch das Innere des Hohlraumes er­ streckt, der vom Inneren der Spirale (2) mit dem kleinsten Durchmesser gebildet wird, wobei dieses biegsame Organ eine Länge (L) besitzt, die gleich der Länge der Spiralen ist, wie sie entlang deren Achse gemessen wird, wenn sich die Spiralen in ihrer gebogenen Betriebsstellung und unter den Bedingungen befinden, für die sie zur Übertragung des ge­ nannten Drehmomentes ausgebildet sind, und wobei die bieg­ same Welle (1, 21), die auf diese Weise gebildet wird, sowohl radial als auch longitudinal während der Übertragung eines Drehmomentes mit einer vorbestimmten Drehrichtung und/oder einer axial gerichteten Kraft undeformierbar ist.

2. Biegsame Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der koaxialen, schraubenförmigen Spiralen (2, 3, 4) drei ist und das im Inneren befindliche biegsame Organ (5) mit seinen Enden (5′, 5′′) an den entsprechenden Enden (2′, 2′′, 3′, 3′′, 4′, 4′′) der genannten Spiralen durch Löten befestigt ist, wobei die so gebildete Welle (1, 21) bei der Übertragung eines Drehmomentes in beiden Drehrichtungen radial und longitudinal undeformierbar ist.

3. Spannvorrichtung zur Betätigung eines Spanngreifers einer Matrize für zahnärztliche Zwecke, geeignet zur lösba­ ren Verbindung mit dem Spanngreifer, enthaltend:

• (a) einen Handgriff (9);
• (b) einen Betätigungsmechanismus (10) zur Drehung und/oder axialer Schubbeanspruchung der axial und radial undeformierbaren biegsamen Welle (21) gemäß Anspruch 1, der das Koppeln mit dem Matrizen-Spanngreifer (8) und das Abkoppeln vom Spanngreifer (11) und/oder die Drehung des Drehstiftes (12) des Spanngreifers bewirkt;
• (c) eine mit dem Handgriff verbundene, die biegsame Welle enthaltende steife Hülle (23), welche auf vorbestimmte Weise gebogen ist;
• (d) ein Federsystem (14) zum Festhalten des Betätigungs­ mechanismus (10) in einer vorbestimmten Stellung und/oder zum Rückführen des Mechanismus in die vorbestimmte Stellung, wenn auf letzteren keine Kräfte in Axialrichtung ausgeübt werden.