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Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben unter Verwendung von Torsionsschwingungen bestehend aus einem Anziehwerkzeug und einem Torsionsschwinger.
Die Aufgabe von Kraftschrauben ist die Verbindung von Bauteilen. Ihre Dimension und Festigkeit werden nach der erforderlichen Klemmkraft bestimmt, welche ihrerseits aus Funktion und Beanspruchung der zu verbindenden Bauteile vorgegeben ist.
Aus der erforderlichen Klemmkraft einerseits und den Elastizitätsverhältnissen anderseits errechnet sich die erforderliche Vorspannkraft der Schraube und damit deren Festigkeit und Dimension. Beim Anziehen bis auf diese Vorspannkraft wird ein Teil des Anziehdrehmomentes zur Überwindung der Gewindesteigung verbraucht, der grössere Teil jedoch zur Überwindung der Reibung im Gewinde und unter Kopf. Das im Gewinde wirksame Moment beansprucht neben der axialen Vorspannkraft Schraubenschaft und freien Gewindeteil zusätzlich auf Torsion. Die nach der Hypothese über die Energie der Gestaltänderung zusammengesetzte Vergleichsspannung aus Vorspannung des Zuges und Torsion soll in ihrer Grösse 90% der Schraubenstreckgrenze nicht überschreiten.
Diese Verhältnisse lassen sich im Vorspannkraftdiagramm für das Anziehdrehmoment darstellen.
Dies ist für Sechskantschrauben M 10 DIN 931-10K gezeichnet. Man erkennt, dass sich mit einem Reibungskoeffizienten von 0, 14, wie er für leicht geölte Schrauben ohne besondere Oberflächenbehandlung gilt, eine Schraube der Qualität lOK und der Abmessung M 10 mit einem Anziehdrehmoment von 6, 9 mkp auf eine Vorspannkraft von 3690 kp anziehen lässt. Verbessert man die Reibungsverhältnisse durch Vercadmen der Schraube auf einen Reibwert von 0, 08, so lässt sich mit derselben Schraube eine wesentlich höhere Vorspannkraft von 4140 kp mit einem Anziehdrehmoment von 4, 8 mkp anziehen. Die Cadmierung bedeutet jedoch Verteuerung.
Es ist bekannt, dass sich die Reibung beim Anziehen von Schrauben mit wachsender Anziehgeschwindigkeit vermindert, u. zw. sind Werte beim Anziehen mit Elektroschraubern und pneumatischen Schraubern, also den Anziehgeräten mit den höchsten Anziehgeschwindigkeiten, bekanntgeworden, die etwa 0, 02 unter denjenigen liegen, welche über das Anziehen von Hand bekanntgeworden sind. Also werden für unbehandelte Schrauben noch nicht die Reibwerte von mit Cadmium überzogenen Schrauben erreicht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben zu schaffen, mit der die Schrauben nahezu reibungslos angezogen werden können. Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Bauart ist zu diesem Zweck erfindungsgemäss vorgesehen, dass dem von der Vorrichtung zum Anziehen der Schraube ausgeübten Drehmoment das abwechselnd gleichsinnig und entgegengesetzt drehende Moment von Torsionsschwingungen überlagert ist, die eine grössere Winkelgeschwindigkeit als die zum Anziehen der Schrauben angewendete Drehbewegung aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass unbehandelte, leicht geölte Schrauben mit einer solchen Vorrichtung mit effektiven Reibwerten nahe Null (gemessen 0, 001 bis 0, 005) angezogen werden können.
Durch die der Drehbewegung überlagerte vor-und rückläufige Bewegung der Schraube mit der Frequenz der angewendeten Torsionsschwingung wird also der Reibwiderstand an sich beträchtlich vermindert, wobei
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sich die Anwendung verhältnismässig hoher Frequenzen als förderlich erwiesen hat.
Es ist zwar bereits ein Schraubwerkzeug bekannt, bei dem ein Rückpendeln des Antriebsrotors stattfindet, doch wird in diesem Falle die Rückpendlungsenergie nur dazu benutzt, um den Schrauber auszuschalten und damit ein Überziehen der Schrauben zu verhindern.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Kurvenblatt und Fig. 2 die Seitenansicht einer Schraubvorrichtung nach der Erfindung mit Einzelteilen im Schnitt.
Aus Fig. 1 ist abzulesen, dass bereits mit einem Reibwert von 0, 01 eine Vorspannkraft der gleichen Schraube von 4600 kp mit einem Anziehdrehmoment von 1, 5 mkp erzielt wird. Das bedeutet eine gegenüber dem normalen Anziehprozess um 25% gesteigerte Vorspannkraft. Also würde zur Erfüllung der gleichen Konstruktionsaufgabe eine Schraube ausreichen, deren Querschnitt oder deren Streckgrenze um den gleichen Betrag niedriger sein dürfte. Beides bedeutet Kosteneinsparung, die im Fall der Querschnittsverminderung durch die verkleinerten Anschlussmasse noch vergrössert wird.
Zur Verwirklichung dieser Vorteile werden nun nach der Erfindung über die Kupplung zwischen Schraubenkopf und Antriebswelle des Anziehwerkzeuges Torsionsschwingungen eingeleitet, die eine grössere Winkelgeschwindigkeit als die zum Anziehen der Schraube angewendete Drehbewegung besitzen. Zur Erzeugung dieser Torsionsschwingungen steht eine Vielzahl bekannter Schwingungserreger, beispielsweise Unwuchtschwinger, Pressluftvibratoren und Magnetschwinger zur Verfügung.
Ein solches Werkzeug eignet sich selbstverständlich nicht nur zum Anziehen von Schrauben mit den oben erwähnten Vorteilen, sondern auch bei dynamischer Umkehr der Dreh- und Schwingungsbewegungen zum wesentlich erleichterten Lösen von Schrauben und Muttern aus verspannten Bauteilen.
Der Anzieher nach der Erfindung besteht aus einem Drehmomentschlüssel-l-und einem Torsionsschwinger-2--, der über den Befestigungsteil --3-- mit dem äusseren Rohr-4-des Drehmomentschlüssels starr verbunden ist. An dem Rohr-4-ist auch ein Schild --5-- befestigt, auf dem die Drehmomentskala angebracht ist. Dieser Antrieb wirkt in der folgenden Weise : Die Welle - des Torsionsschwingers führt keine vollständige Drehbewegung, sondern nur eine
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Drehmomentschlüssels--l-verbunden.Torsionsstab --8-- ist der Zeiger --9-- und der zweiarmige Hebel --10-- befestigt.
Beim Anziehen oder Lösen einer Schraubenverbindung wird infolge der an den Handgriffen - aufgebrachten Handkraft die Welle-6-des Torsionsschwingers-2-abgebremst. Dadurch bewirkt das im Gerät entstehende Reaktionsmoment über den Befestigungsteil --3-- im Rohr-4-des Drehmomentschlüssels-l-eine Drehschwingung, welche über eine auf den Vierkant --12-- gesteckte Nuss unmittelbar auf die anzuziehende oder zu lösende Schraube oder Mutter weitergeleitet wird, so dass die Schwingbewegung in der Drehrichtung des Drehmomentschlüssels zu dessen Drehbewegung addiert, im gegenläufigen Sinne aber subtrahiert wird. Es werden verhältnismässig hochfrequente Torsionsschwingungen angewendet, so dass deren Winkelgeschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit des Drehmomentschlüssels übersteigt.
Es findet daher während jeder Schwingungsperiode eine Vorwärtsdrehunpder Schraube und danach eine Rückdrehung derselben um einen sehr kleinen Winkel statt.
PATENTANSPRÜCHE :
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d u r c h g e k e n n z e i c h -net, dass dem von der Vorrichtung zum Anziehen der Schraube ausgeübten Drehmoment das abwechselnd gleichsinnig und entgegengesetzt drehende Moment von Torsionsschwingungen überlagert ist, die eine grössere Winkelgeschwindigkeit als die zum Anziehen der Schraube angewendete Drehbewegung aufweisen.
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