DE4035614A1

DE4035614A1 - Verbindungsanordnung fuer ein kugelgelenk

Info

Publication number: DE4035614A1
Application number: DE4035614A
Authority: DE
Inventors: Lars Frings; Walter Hund; Freimut Dipl Ing Dr Vizethum
Original assignee: Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1992-05-14
Also published as: DE4035614C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsanordnung für ein Kugelgelenk gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Verbindungsanordnungen dieser Art enthalten üblicherweise eine Kugel aus einem keramischen Werkstoff, welche innen eine Ausnehmung mit einer konischen Innenfläche aufweist. In diese Ausnehmung greift ein Zapfen eines Bauteils aus Metall und über die konischen Flächen soll infolge der konischen Klem mung eine Verbindung erreicht werden. Die Bearbeitung der konischen Innenfläche der Keramik-Kugel kann heute mit hoher Präzision und mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand gefertigt werden. Um eine zuverlässige Verbindung mit dem Zapfen aus Metall, und zwar insbesondere auch aus Titan, zu ermöglichen, müssen heute sehr hohe Anforderungen, vor allem hinsichtlich Oberflächenrauhigkeit und Rundheit sowie Eben heit der konischen Außenfläche gestellt werden. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn die Achse des Zapfens nicht mit der Längsachse des Bauteils übereinstimmt und das Einspannen des Bauteils zur Herstellung der Geometrie der konischen Außenfläche nicht in einfacher Weise wie bei einem rotationssymmetrischen Bauteil erfolgen kann. Beim Bearbeiten des Bauteiles, insbesondere beim Abdrehen des Zapfens auf einer Drehbank oder dergleichen, treten Massenkräfte und Unwuchten dadurch auf, daß der Schwerpunkt des Bauteils exzentrisch bezüglich der Konus-Achse bzw. der Drehachse liegt. Dies führt in der Praxis zu Unrundheiten, welche eine befriedigende Verbindung mit der konischen Innenfläche der Keramik-Kugel erschweren und in vielen Fällen unmöglich machen. Als besonderes Einsatzgebiet sei auf Hüftgelenkpro thesen verwiesen, deren Gelenkkugeln aus Keramik bestehen und einen in die Medularhöhle des Femurschaftes einführbaren Spindelteil aufweisen. Bekanntlich ist die Hauptdrehachse und damit die Längsachse des Zapfens bezüglich der Längsachse des Spindelteils, welche üblicherweise darüber hinaus auch gebogen ist, in einem Winkel in der Größenordnung von 20 bis 40° angeordnet. Der Spindelteil und der Zapfen sind einteilig aus Metall, insbesondere aus Titan, gefertigt und aufgrund des Winkelversatzes treten bei der Fertigung der konischen Außenfläche die oben aufgezeigten Schwierigkeiten auf. Desweiteren sei auf Kugelgelenke in der Mikrotechnik hin gewiesen, wobei Druckkräfte über die Gelenkkugel aus Keramik auf eine gleichfalls aus Keramik bestehende Lagerpfanne übertragen werden und die Verbindung mit Bauteilen aus Metall herzustellen ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verbindungsanordnung für Kugelgelenke der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine funktionssichere und materialgerechte konische Verbindung herstellbar ist. Maßab weichungen, insbesondere hinsichtlich Rundheit und Rauhig keit, sollen ausgeglichen werden. Ferner sollen die An forderungen im Hinblick auf Fertigungstoleranzen und Bear beitungsaufwand in technisch und wirtschaftlich vertretbaren Grenzen gehalten werden, und zwar vor allem wenn die Längs achse des Zapfens zur Längsachse des Schaftes in einem Winkel größer als 20°, und zwar vor allem in der Größenordnung von 45° liegt. Desweiteren soll problemlos eine Anpassung an die jeweiligen Einbau- bzw. Implantationsbedingungen ermöglicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung zeichnet sich durch einen funktionssicheren und materialgerechten Aufbau aus. Die konische Hülse aus Metall ermöglicht einen Toleranz- und Maßausgleich zwischen dem Zapfen und der konischen Innen fläche der Gelenkkugel. Diese Gelenkkugel besteht aus einem bevorzugt biokompatiblen Keramikwerkstoff und ist infolge konischer Klemmung mit der Hülse verbunden. Die innerhalb der konischen Ausnehmung der Gelenkkugel angeordnete Hülse weist eine konische Außenfläche und ferner eine Innenfläche auf, welche gegebenenfalls exzentrisch oder mit geneigten Achsen relativ zueinander angeordnet sein können, um einen exzentri schen bzw. lateralen Versatz der Gelenkkugel bezüglich des Zapfens zu ermöglichen und so in optimaler Weise eine Anpas sung an die besonderen Einbaubedingungen zu erhalten. Die Hülse kann in geeigneter Weise mit dem Zapfen verbunden sein. Hierzu kann der Zapfen als Schaftkonus ausgebildet sein, auf dessen konischer Außenfläche die gleichfalls konische Innenfläche der Hülse aufsitzt und durch konischer Klemmung verbunden ist. Ferner kann eine Schraubverbindung zwischen der Innenfläche der Hülse und der Außenfläche des Zapfens vorgesehen sein. Hierbei kann das Schraubgewinde gleichfalls konisch ausgebildet sein oder aber eine zylindrische Mantelfläche einschließen. Auch kann die Hülse mittels einer zusätzlichen Schraube mit dem Zapfen verbunden sein. Hierzu weist der Zapfen in seiner Stirnfläche eine Sackbohrung mit einem Gewinde auf, in welche die Schraube einschraubbar ist. Der Schraubenkopf weist einen größeren Außendurchmesser als der Zapfen auf und liegt mit seinem äußeren Rand an dem freien Ende der Hülse an, welche im Falle einer zylindrischen Innenfläche mit ihrem gegenüberliegenden Ende beispielsweise an einer Ringschulter des Zapfens anliegt und dort fest spannbar ist.

Unabhängig von der jeweiligen Befestigung der Hülse auf dem Schaft erfolgt die Verbindung zwischen der Gelenkkugel und der Hülse über die konische Außenfläche der Hülse und die konische Innenfläche der Gelenkkugel. Die Bearbeitung der genannten konischen Flächen der vergleichsweise kleinen konischen Hülse kann mit hoher Präzision erfolgen, wobei sehr enge Toleranzgrenzen und genaue Anforderungen eingehalten werden können. Die aufgrund der abgewinkelten Anordnung der Achse des Zapfens bezüglich der Längsachse des Schaftes auftretenden Probleme werden durch die Zwischenschaltung der konischen Hülse in besonders effektiver Weise ausgeglichen. Für die konische Außenfläche des Zapfens können größere Toleranzen und Maßabweichungen zugelassen werden als für die Außenfläche der kleinen konischen Hülse, an welcher die konische Innenfläche des Kugelkopfes aus Keramik anliegt. Die konische Hülse besteht in zweckmäßiger Weise aus dem gleichen Material wie der Zapfen bzw. der komplette Schaft, und zwar insbesondere aus Titan. Maßabweichungen und insbesondere Unrundheiten des Zapfens beeinträchtigen den funktionssiche ren Sitz und die Verbindung mit der Innenfläche der konischen Hülse aus Metall nicht, während derartige Maßabweichungen bei einem unmittelbaren Aufsitzen der konischen Innenfläche der Gelenkkugel zu Beschädigungen oder nach entsprechender Gebrauchszeit zu einem Lösen der Verbindung führen würden. Es gelangt eine Standardkugel zum Einsatz und mittels der konischen Hülse erfolgt die Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten. Die konischen Hülsen können in unterschied lichen Abmessungen mit geringem Aufwand für den jeweiligen Einsatzzweck bereitgehalten werden.

Weitere Besonderheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine explosionsartige Darstellung der Verbin dungsanordnung, wobei die Kugel in einem Längs schnitt und der Schaft in einer seitlichen Ansicht dargestellt sind,

Fig. 2 die Gelenkkugel gemäß Fig. 1 mit einer geänderten konischen Hülse,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der konischen Hülse für einen lateralen Versatz.

Fig. 1 zeigt in einer explosionsartigen Darstellung die Verbindungsanordnung mit einer Kugel 2 und einem Zapfen 4, wobei mittels einer konischen Hülse 6 die Verbindung her stellbar ist. Der konische Zapfen 4, welcher nachfolgend auch als Schaftkonus bezeichnet wird, ist Bestandteil eines Schaf tes 8, dessen Längsachse 10 zur Zapfenachse 12 einen Winkel 14 aufweist. Der Schaft 8 und der Zapfen 4 sind einteilig ausgebildet und bestehen aus einem biokompatiblen Material, und zwar bevorzugt aus Metall. Als bevorzugter Werkstoff für den Schaft 8 mit dem Zapfen 4 gelangt Titan zum Einsatz. Der Zapfen besitzt eine zur Zapfenachse 12 koaxiale Außenfläche 16, welche als ein 1 : 10 Kegel mit einer Länge 18 ausgebildet ist. Die Länge 18 beträgt 15 mm, wobei der größte Durchmesser 20, im wesentlichen 14 mm groß ist. Der erwähnte Winkel 14 zwischen der Längsachse 10 und der Zapfenachse 12 liegt in der Größenordnung von 45°.

Falls keine Hülse 6 zum Einsatz gelangt und eine Kugel mit ihrer konischen Innenfläche 22 unmittelbar mit dem Schaft konus 4 zu verbinden ist, werden für die Außenfläche 16 eine Rauhtiefe (Rt-Wert) zwischen 5 bis 10 µm, für die Rundheit ein Wert kleiner als die halbe Rauhtiefe und ebenso für die Ebenheit in Richtung der Längserstreckung ein Wert von gleichfalls kleiner als die halbe Rauhtiefe gefordert. Die Einhaltung dieser Werte bereitet herstellungstechnisch erhebliche Schwierigkeiten, da aufgrund der Abwicklung der Längsachse 10 des Schaftes 8 bezüglich der Zapfenachse 12 der Schwerpunkt exzentrisch liegt und die hieraus resultierende Unwucht beim Abdrehen der Außenfläche 16 zu Maßabweichungen führt. Aufgrund des Einsatzes der gleichfalls aus Metall, insbesondere aus Titan, bestehenden Hülse 6 können die Anforderungen für die Maßhaltigkeit des Zapfens 4 erheblich reduziert werden. Mittels der Hülse 6, welche über ihre hier konische Innenfläche 23 mit dem Zapfen 4 verbunden ist, wird somit in überraschend einfacher Weise ein Toleranzausgleich erzielt. Da die Hülse 6 im Vergleich zum Schaft 8 eine wesentlich geringere Masse aufweist, kann mit üblichem Fertigungsaufwand und herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen die Außenfläche 24 der konischen Hülse in der Präzision herge stellt werden, welche aufgrund der Materialpaarung mit der Innenfläche 22 der Kugel 2 gefordert wird.

Das dem Schaft 8 zugekehrte Ende 26 der Hülse 60 weist zu dem gleichfalls dem Schaft zugewandten Ende 28 der Kugel 2 einen Abstand 30 auf. Die Hülse 6 befindet sich somit vollständig innerhalb des Innenraumes 32 der Kugel 2, welche im Anschluß an die Innenfläche 22 eine Erweiterung 34 enthält, wobei eine Übergangskante 36 vorhanden ist. Diese Übergangskante 36 weist zu dem anderen freien Ende 38 der Hülse einen kleinen Abstand 40 auf, so daß Überbeanspruchungen oder zu hohe Flächenpressungen im Bereich dieser Übergangskante 36 ver mieden werden.

Eine alternative Ausgestaltung der Verbindung der Hülse 6 mit dem Zapfen 4 ist durch strichpunktierte Linien angedeutet. Hierbei weist die Innenfläche 23 ein Innengewinde 37 und der Zapfen 4 in der Außenfläche 16 ein Außengewinde 39 auf. Wie ersichtlich, kann damit eine funktionssichere dauerhafte Verbindung zwischen der Hülse 6 auf dem Zapfen 4 erfolgen, wobei für die Herstellung des Außengewindes 39 keine be sonders hohen Anforderungen bzw. enge Toleranzen zu beachten sind. Unabhängig von der jeweiligen Befestigung der Hülse 6 auf den Zapfen 4 gilt der wesentliche Sachverhalt, daß aufgrund der im Vergleich mit dem Schaft wesentlich geringe ren Masse der Hülse 6 deren Außenfläche mit hoher Präzision gefertigt werden kann, um eine funktionssichere konische Verbindung mit der konischen Innenfläche 22 der aus Keramik bestehenden Gelenkkugel 2 zu gewährleisten. Anstelle der hier angedeuteten konischen Gewindeverbindung, kann in einer weiteren Ausgestaltung eine Gewindeverbindung vorgesehen sein, in welcher das Innengewinde der Hülse sowie das Außen gewinde des Zapfens zylindrische Mantelflächen umschließen. Um hierbei in einfacher Weise ein Festspannen zu ermöglichen, weist der Zapfen 4 eine Ringschulter auf, an welcher das Ende 26 der Hülse unter geeigneter Vorspannung anliegt. Der Außendurchmesser einer derartigen Ringschulter ist dabei kleiner als der Außendurchmesser der Hülse 6 im Bereich des dem Schaft 8 zugekehrten Endes 26, um die konische Verbindung in keiner Weise zu beeinträchtigen.

Die in Fig. 2 dargestellte Kugel stimmt mit der gemäß Fig. 1 überein und weist einen Außendurchmesser 42 von 32 mm auf. Die Hülse 6 ist jedoch insofern abweichend ausgebildet, als bei gleichen Außenabmessungen die Wandstärke 44 größer und der Innendurchmesser kleiner ist als bei der in Fig. 1 dargestellten Hülse. Es ist ersichtlich, daß bei einer Verbindung mit einem übereinstimmenden Konus somit das Ende 28 der Kugel 2 zum Schaft einen größeren Abstand aufweist. Da jedoch die Außenabmessungen der Hülse 6 übereinstimmend ausgebildet sind, weist deren Mittelebene 48 bezüglich der Kugel 2 immer die gleiche Ausrichtung auf. Im Hinblick auf die Kraftübertragung zwischen der hier nicht weiter darge stellten Pfanne des Gelenks, insbesondere einer Hüftgelenk prothese, sind somit unabhängig von der jeweils zum Einsatz gelangenden Hülse die gleichen optimalen Übertragungsbe dingungen geschaffen. Die Mittelebene 48 und damit die Krafteinleitung zwischen dem Zapfen 4 und der Kugel 2 erfolgt somit in jedem Fall in der Nähe des Mittelpunktes 50 der Kugel 2.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung, gemäß welcher die konische Innenfläche 23 der Hülse 6 konzentrisch zu einer Achse 52 liegt. Im zusammengesetzten Zustand liegt die Achse 54 der Außenfläche 24 der Hülse 6 und somit die Kugel 2 in einem Winkel 56 zur Zapfenachse, welche mit der Achse 52 übereinstimmt. Es ist somit ein lateraler Versatz entspre chend dem Winkel 56 zwischen den vorstehend genannten Achsen 52, 54 vorhanden. Auch bei dieser Ausführungsform weist die Hülse 6 die gleichen Außenabmessungen wie bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen auf, so daß insbesondere der Abstand 30 zwischen dem einen Ende 26 der Hülse 6 und dem Ende 28 der Kugel 2 identisch ist.

Mittels der strichpunktierten Linie 58 ist eine weitere Ausgestaltung angedeutet. Die Linie 58 stellt die Achse der konischen Innenfläche 23 der Hülse 6 dar und liegt parallel, jedoch exzentrisch zur Achse 54 der Außenfläche 24. Es ist ersichtlich, daß damit im Vergleich mit der Ausführungsform von Fig. 1 ein seitlicher Versatz der Kugel bezüglich des Zapfens vorgebbar ist. Je nach Ausbildung der Innenfläche 23 kann damit die Kugel 2 in die gewünschte Position zum Zapfen und den Schaft 10 nach Art eines Bausatzes gebracht werden. Es genügen übereinstimmend ausgebildete Schäfte bzw. Kugeln und lediglich mit einer entsprechend modifizierten Hülse, und zwar nur deren Innenfläche 23, wird mit minimalem Aufwand die gewünschte Ausrichtung erreicht. Hierdurch werden erhebliche Fertigungsvorteile und Bereitstellungsvorteile erzielt, zumal die Herstellung der kleinen Hülse 6 einen wesentlich geringe ren Aufwand erfordert, als die Fertigung unterschiedlicher Kugeln und Schäfte.

Die konische Hülse 6 weist in Richtung der Zapfenachse 12 eine Höhe 60 auf. Diese Höhe 60 ist um einen vorgegebenen Faktor kleiner als der Außendurchmesser 42 der Gelenkkugel 2. Dieser Faktor ist kleiner als 0,7 und liegt zweckmäßig im Bereich zwischen 0,2 bis 0,6, wobei sich ein Bereich zwischen 0,3 bis 0,4 als zweckmäßig erwiesen hat. Die Hülse 6 liegt bei allen Ausführungsformen immer vollständig in dem Innen raum 32 der Hülse 2. Im Rahmen der Erfindung wird ein Bausatz mit einer Anzahl von Hülsen 6 bereitgehalten, deren Außenab messungen, und zwar insbesondere die Höhe 60 sowie die konische Außenfläche 24, exakt übereinstimmend ausgebildet sind. Diese Hülsen 6 weisen jedoch unterschiedliche Wand dicken 44 und/oder Ausrichtungen der Achsen der Innenflächen 23 auf.

Bezugszeichen
2 Kugel
4 Zapfen
6 konische Hülse
8 Schaft
10 Längsachse
12 Zapfenachse
14 Winkel
16 Außenfläche von 4
18 Länge von 4
20 Durchmesser von 4
22 Innenfläche von 2
23 Innenfläche von 6
24 Außenfläche von 6
26 Ende von 6
28 Ende von 2
30 Abstand
32 Innenraum
34 Erweiterung von 32
36 Übergangskante
37 Innengewinde in 23
38 anderes Ende von 6
39 Außengewinde in 16
40 Abstand
42 Außendurchmesser von 2
44 Wanddicke von 6
46 Innendurchmesser von 6
48 Mittelebene von 6
50 Mittelpunkt von 2
52 Achse von 23
54 Achse von 24
56 Winkel
58 Linie
60 Höhe von 6

Claims

1. Verbindungsanordnung für ein Kugelgelenk, enthaltend eine Kugel (2) mit einem eine konische Innenfläche (22) aufwei senden Innenraum (32) und mit einem eine insbesondere koni sche Außenfläche (16) aufweisenden Zapfen (4), wobei die Verbindung zwischen Kugel (2) und Zapfen (4) über die Innenfläche (22) und die genannte Außenfläche (16) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kugel (2) und dem Zapfen (4) eine konische Hülse (6) angeordnet ist, an deren konischer Außenfläche (24) die Kugel (2) mit ihrer konischen Innenfläche (22) fest anliegt.

2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Hülse (6) vollständig im Innenraum (32) der Kugel (2) angeordnet ist und mit ihrem Ende (26) zum Ende (28) der Kugel (2) einen Abstand (30) aufweist.

3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (2) aus Keramik und der Zapfen (4) sowie die Hülse (6) aus Metall, insbesondere aus Titan, bestehen.

4. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (4) integraler Be standteil eines Schaftes (8) mit einer Längsachse (10) ist, wobei die Zapfenachse (12) zur Längsachse (10) in einem Winkel (14) in der Größenordnung zwischen 40 und 50° an geordnet ist.

5. Verbindungsanordnung, insbesondere nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (44) der Hülse (6) vorgebbar ist und/oder im Vergleich zur Kugel (2) oder dem Schaft (8) eine wesentlich geringere Masse aufweist.

6. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (52) der Innenfläche (23) der Hülse (6) bezüglich der Achse (54) der Außenfläche (24) in einem vorgebbaren Winkel (56) angeordnet ist.

7. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Innenfläche (23) der Hülse (6) zur Achse (54) der Außenfläche (24) exzentrisch angeordnet ist.

8. Verbindungsanordnung, insbesondere nach einem der An sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene (48) unabhängig von der Wanddicke (44) und/oder der Anordnung der Achse (52) der Innenfläche (23) der Hülse (6) im wesent lichen durch den Mittelpunkt (50) der Kugel (2) verläuft.

9. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (6) eine Höhe (60) aufweist, welche um einen vorgegebenen Faktor kleiner ist als der Durchmesser (42) der Kugel (2), wobei dieser Faktor zweckmäßig kleiner als 0,7 ist und insbesondere im Bereich zwischen 0,2 bis 0,6 liegt, und zwar bevorzugt zwischen 0,3 bis 0,5.

10. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Hüftge lenkprothese.