Rollende cilinders slijten minder

Werktuigbouwers houden van gaffels en zijn van nature gewend met vaste scharnierpunten te werken en met vaste stanglengtes. Dat geeft wrijving, waardoor in mechanische constructies aanzienlijk energieverlies optreedt, en daarnaast slijtage. Bij de vakgroep Meet- en Regeltechniek van de faculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek aan de TU Delft is nu een elegant en eenvoudig constructieprincipe bedacht met een overbrenging die is gebaseerd op op elkaar afrollende cilinders.

Deze Rolling Link Mechanisms of RLMs - denk aan een gulden ingeklemd tussen een rijksdaalder en een dubbeltje, alles draaiend zonder te slippen - garanderen een hoog rendement, tot 98 procent. Ze kunnen compact en robuust worden uitgevoerd en de afwezigheid van wrijving en speling verbetert hun positienauwkeurigheid fors. Op de uitvinding is inmiddels octrooi aangevraagd door de TU Delft en de STW, de Stichting voor de Technische Wetenschappen die het onderzoek financiert.

Het ontwikkelen van RLMs, waarop ir. John Peter Kuntz volgende maand hoopt te promoveren, vindt plaats in het bredere kader van Delfts onderzoek naar prothesen en orthesen, onder leiding van prof.ir. J.C. Cool. Deze hoogleraar, die aan de TU Twente tevens de leerstoel biomedisch ontwerpen bekleedt, vindt de kunstarm van nu lelijk en is evenmin tevreden over de bedieningskracht. Cool: 'Die is veel te hoog. Als je kijkt naar de haken en veersluitende systemen waar we onze gehandicapten nu het bos mee insturen, denk je: daar moet meer van te maken zijn. Nu vergt het actie de duim van de vingers los te trekken en heeft de patiënt geen enkele terugmelding over de knijpkracht. Bij een partje sinaasappel of een sigaar gaat het dan ook mis, de klemkracht zou regelbaar moeten zijn.'

Een deel van het ontwerpprobleem schuilt in de kunststof handschoen om het binnenwerk. Die ziet er levensecht uit, inclusief nagelriempjes, maar heeft vervelende mechanische eigenschappen zoals niet-lineaire rek, die ook nog eens per handschoen verschilt, en hysterese: uitrekken en ontspannen van het handschoenmateriaal bij het verplaatsen van de duim verlopen niet symmetrisch. Cool: 'Het liefst wilden we voor de duim een indifferent evenwicht zodat hij alle posities kan aannemen, met de bediening vanuit de elleboog in plaats van een hoogzittende bandage op de rug. Verder moet de prothese eenvoudig zijn en licht van constructie. RLMs zijn dan de oplossing.'

In een Rolling Link Mechanism staan de onderdelen in rollend contact met elkaar zonder dat daar, zoals bij kogellagers of assen, aparte ondersteuningsconstructies bij komen kijken. De belasting kan hoger zijn omdat de rollen in een RLM geen punt- maar lijncontacten met elkaar maken zodat de vervorming minder is. Bij het dimensioneren (het bepalen van de onderlinge grootteverhoudingen) van de cilinders is het zaak ervoor te zorgen dat de krachten bij het draaien steeds loodrecht op de contactoppervlakken staan, om slippen - of in het ergste geval wegschieten van een losse rol - te vermijden. Kuntz bepaalde deze 'optimale systeemgeometrie' met behulp van een rekenmodel op de computer.

Uitkomst was dat een RLM alleen over een beperkte draaihoek (slag) stabiel blijft. Daarnaast zijn er micro-slips en uitwendige schokken die voor narigheid kunnen zorgen. De oplossing die Kuntz bedacht is een dunne band van flexibel materiaal, bij voorbeeld 0,020 mm staal of kunststof. Beide uiteinden zitten vast aan een rol, nu nog geschroefd maar in de toekomst gelijmd. In geval van drie rollen, zoals bij het compensatiemechanisme voor de rekkracht in de kunstarmhandschoen, slingert de band tussen de rollen door en steunt op die manier de middelste. Zijwaartse krachten die anders tot slippen zouden leiden worden nu door de band opgevangen, waardoor het draaibereik toeneemt en de dimensionering minder nauw luistert. Nadeel is dat het RLM-ontwerp met band iets complexer wordt.

Tot nu toe zijn RLMs beperkt tot constructies met heen-en-weer bewegingen in het platte vlak. Maar voor de toekomst ziet Cool ze toegepast in alle ontwerpen die nu nog op stangenstelsels en tandwielconstructies bogen. 'Door de cilinderrollen te vervangen door kegels komt de driedimensionale ruimte in beeld,' aldus de Delftse hoogleraar. 'Verder gaan we het helemaal ronddraaien per RLM ook nog uitzoeken. En het aardige van deze technologie met variabele draaipunten is dat het bij overbrengingen in de levende natuur niet anders werkt.'