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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft im spezielleren einen Schraubenschlüssel mit elektrischer Drehmomentanzeige mit einer austauschbaren Belastungsmeßeinheit, die an einem Schlüsselkörper angebracht ist, um ein auf ein Werkstück aufgebrachtes Drehmoment mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu messen.
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Die
US-Patente 3 970 155 ,
4 006 629 ,
4 522 075 ,
4 669 319 und
4 976 133 offenbaren Schraubenschlüssel mit elektrischer Drehmomentanzeige, die im allgemeinen an einem Hebelarm in der Nähe eines Kopfes angebrachte Belastungsmesser zum Messen des Drehmoments aufweisen. Der Kopf ist dazu geeignet, mit einem Werkstück in Eingriff zu treten und dieses rotationsmäßig zu bewegen, indem eine Kraft auf den Hebelarm ausgeübt wird.
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Die Belastungsmesser detektieren elastische Belastungen bzw. Dehnungsbelastungen und Änderungen der elektrischen Widerstandswerte, setzen diese Veränderungen in ein elektrisches Signal um und bestimmen in Zusammenarbeit mit einer Verarbeitungsschaltung, die eine Wheatstone'sche Brücke, einen Verstärker, eine Aufzeichnungseinrichtung, einen Mikroprozessor, eine Ausgabeeinheit usw. beinhaltet, einen Wert des auf das Werkstück aufgebrachten Drehmoments. Die Belastung (ε) steht in Relation zu einem Biegemoment (M), und zwar gemäß folgender Beziehung: ε = M·y / E·I.
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Wenn ein Gegenstand mit einem Elastizitätsmodul (E) und einem Trägheitsmoment (I) relativ zu einer neutralen Achse einem Biegemoment (M) ausgesetzt wird, dann ist die Belastung (ε) direkt proportional zu einer Distanz (y) zwischen dem Meßpunkt und der neutralen Achse. Bei den vorstehend genannten Drehmomentschlüsseln gemäß dem Stande der Technik sind die Belastungsmesser an einer Seitenfläche des Hebelarms von der neutralen Achse entfernt angebracht, um dadurch einen höheren Belastungswert zu erzeugen, aufgrund dessen die Verarbeitungsschaltung das Drehmoment exakt berechnen kann.
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Jedoch muß eine relativ große Fläche der Seitenfläche des Hebelarms, an dem die Belastungsmesser angebracht sind, mit hoher Genauigkeit spanend bearbeitet werden, um das Anbringen der Belastungsmesser einfach zu gestalten, wobei dies zu höheren Herstellungskosten führt. Darüberhinaus sind herkömmliche Belastungsmesser nicht austauschbar, falls diese defekt oder beschädigt sind.
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Ein weiterer Schraubenschlüssel mit elektrischer Drehmomentanzeige, der in dem
taiwanesischen Gebrauchsmuster Nr. 485872 offenbart ist, umfaßt einen Schlüsselkörper mit einem Kopf sowie einen sich von dem Kopf weg erstreckenden Handgriff. Der Handgriff und der Kopf besitzen einen ersten bzw. zweiten Befestigungsschlitz zum Aufnehmen einer Belastungserfassungseinheit und einer Anzeigeeinheit. Die Belastungserfassungseinheit weist ein Substrat mit einem Profil auf, bei dem es sich um das gleiche wie bei dem ersten Befestigungsschlitz handelt.
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Das Substrat weist eine Aussparung zum Aufnehmen eines Belastungsmessers auf. Wenn eine ein Drehmoment erzeugende Kraft auf den Handgriff aufgebracht wird, führt eine Dehnungsverformung des Belastungsmessers zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands, wobei diese Veränderung erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Belastungserfassungseinheit kann im Falle eines Defekts des Belastungsmessers ausgetauscht werden. Da jedoch das Profil des Substrats das gleiche sein muß wie das des ersten Befestigungsschlitzes, wird der Belastungsmesser in unmittelbarer Nähe zu der neutralen Achse angeordnet, so daß die Distanz geringer wird.
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Die Belastung in dem Belastungsmesser ist daher relativ gering, so daß die Veränderung beim elektrischen Widerstand zu gering ist, um eine exakte Drehmomentmessung zuzulassen. Obwohl ein der Widerstandsänderung entsprechendes Ausgangssignal mittels Verstärkern verstärkt werden kann, werden gleichzeitig auch die Fehler in dem Signal verstärkt, so daß kein exakter Drehmomentwert ermittelt werden kann.
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Aus der
WO 03/041914 A2 ist ein Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige bekannt, bei dem ein Belastungsmeßkörper vorgesehen ist, der vier Meßelemente in einer Brückenschaltung aufweist. Der Belastungsmeßkörper ist physisch an einer der Flachseiten des Sensorjochs fest mit dem Drehmomentschlüssel verbunden, wobei die entsprechenden Anschlußstreifen der Meßeinrichtung sich durch einen Kanal in dem dort vorgesehenen Sensorjoch erstrecken. Somit ist bei dem herkömmlichen Drehmomentschlüssel gerade keine in Längsrichtung zwängungsfreie Lagerung des Belastungsmeßkörpers vorgesehen.
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In der
DE 101 34 586 A1 ist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung eines Bauteils beschrieben, wobei die Sensoreinrichtung aus einem Sensorchip und einer Trägersubstrat besteht, welche durch eine Verbindungsschicht so miteinander verbunden sind, daß sie ein vorgefertigtes Sensormodul bilden. Das Sensormodul wird durch eine dauerfeste kriechfreie Verbindung an dem Bauteil so befestigt, daß die Dehnungsbeanspruchung des Bauteils unmittelbar auf das Trägersubstrat und von dort über die Verbindungsschicht auf den Sensorchip übertragen wird.
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Bei dieser Sensoreinrichtung wird somit dafür gesorgt, daß eine Longitudinaldehnung des Bauteils direkt auf den Meßkörper übertragen wird. Allerdings läßt sich dieser Druckschrift weder die Anordnung eines Dehnungsmeßstreifen auf einem belastbaren Körper, der seinerseits longitudinal frei verschieblich auf einem Drehmomentschlüssel angeordnet ist, noch die Ausbildung des belastbaren Körpers mit einem Elastizitätsmodul entnehmen, der sich von dem Elastizitätsmodul des Schaftes des Schraubenschlüssels unterscheidet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe eines Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige, der eine an einem Schlüsselkörper angebrachte austauschbare Belastungsmeßeinheit zum Messen von einem auf ein Werkstück aufgebrachten Drehmoment mit höherer Genauigkeit aufweist, wobei sich die Herstellungskosten des Drehmomentschlüssels gleichzeitig verringern lassen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Schraubenschlüssel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schraubenschlüssels sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Schraubenschlüssel mit Drehmomentanzeige einen Schlüsselkörper mit einem Kopf, der dazu ausgebildet ist, an einem Werkstück anzugreifen und dieses um eine Rotationsachse rotationsmäßig zu bewegen, sowie einen Schaft, der sich von dem Kopf weg erstreckt und an einem Verbindungsende endet. Der Schaft ist aus einem Material mit einem ersten Elastizitätsmodul hergestellt und weist zwei äußere Längswandsegmente auf. Ein Handgriff ist mit dem Verbindungsende verbindbar angeordnet und zum Drehen des Kopfes betätigbar.
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Mindestens ein belastbarer Körper ist aus einem Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul hergestellt, der niedriger ist als der erste Elastizitätsmodul, und weist eine Meßträger-Hauptwand auf, die an einem jeweiligen der äußeren Längswandsegmente derart angeordnet ist, daß der belastbare Körper in einer Benutzungsposition angeordnet werden kann, in der der belastbare Körper ansprechend auf eine Drehbewegung des Handgriffs um die Rotationsachse Dehnung in Längsrichtung ausgesetzt ist.
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Die Meßträger-Hauptwand weist eine innere und eine äußere Hauptfläche auf, die nahe bzw. entfernt von dem jeweiligen äußeren Längswandsegment angeordnet sind. Die innere Hauptfläche steht in der Benutzungsposition mit dem jeweiligen äußeren Längswandsegment in Längsrichtung in Eingriff und ist relativ zu diesem dehnbar.
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Eine Halteeinrichtung ist derart angeordnet, daß sie den belastbaren Körper an einer Bewegung von dem jeweiligen äußeren Längswandsegment weg in einer Querrichtung quer zu der Längsrichtung und der Rotationsachse festhält, während sie eine Dehnungsbewegung des belastbaren Körpers in der Längsrichtung zuläßt.
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Eine Belastungsmeßeinheit ist an der äußeren Hauptfläche angebracht, um eine Veränderung bei den Widerstandwerten zu erfassen, bei der es sich um eine Funktion des Ausmaßes der Dehnungsverformung des belastbaren Körpers als Ergebnis der Drehmomentausübung durch den Kopf handelt, wenn der Kopf das Werkstück um die Rotationsachse rotationsmäßig bewegt, und um die Veränderung bei den Widerstandswerten in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
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Eine Verarbeitungsschaltung ist mit der Belastungsmeßeinheit elektrisch verbunden, um einen Wert des auf das Werkstück ausgeübten Drehmoments in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal von der Belastungsmeßeinheit zu berechnen, um dadurch ein Ausgangssignal zu erzeugen.
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Eine Anzeigeeinheit ist mit der Verarbeitungsschaltung elektrisch verbunden und empfängt das Ausgangssignal von der Verarbeitungsschaltung und wandelt das Ausgangssignal in eine visuelle Darstellung um.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele noch naher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines Schlüsselkörpers und einer Belastungserfassungseinheit des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
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3 eine Perspektivansicht des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
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4 eine Schnittdarstellung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
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5 eine Darstellung des in 4 mit einem Kreis umschlossenen Bereichs;
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6 eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines Schlüsselkörpers und einer Belastungserfassungseinheit des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels; und
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8 eine Schnittdarstellung des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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In der nachfolgenden Beschreibung sind einander entsprechende Elemente durchweg mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Wie unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ersichtlich, weist das dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schlüsselkörper 10, einen Handgriff 50, zwei Belastungserfassungseinheiten 20, eine Verarbeitungsschaltung 30 sowie eine Anzeigeeinheit 40 auf.
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Der Schlüsselkörper 10 hat einen Kopf 11, der dazu ausgebildet ist, mit einem Werkstück (nicht gezeigt) in Eingriff zu treten und dieses um eine Rotationsachse zu drehen, sowie einen Schaft 12, der sich von dem Kopf 11 in einer zu der Rotationsachse radialen Längsrichtung weg erstreckt und an einem Verbindungsende 121 endet. Der Schaft 12 ist aus einem Material mit einem ersten Elastizitätsmodul (E1) hergestellt, wie z. B. Stahl mit einem E1-Wert von E1 = 190 GPa, und er weist zwei äußere Längswandsegmente 123 auf, die relativ zu einer neutralen Achse (x) des Schafts 12 einander gegenüber angeordnet sind und die jeweils in Längsrichtung verlaufen.
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Jedes der äußeren Längswandsegmente 123 ist in einer zu der Längsrichtung und der Rotationsachse quer verlaufenden Querrichtung vertieft ausgebildet, um einen konkaven Bereich bzw. eine Vertiefung 1231 zu bilden, und jedes äußere Längswandsegment 123 hat einen vorderen und einen hinteren Randbereich 1233, 1234, die einander in Längsrichtung gegenüberliegen, sowie einen Bodenbereich 1232, der den vorderen und den hinteren Randbereich 1233, 1234 unter Bildung der Vertiefung 1231 miteinander verbindet. Das Verbindungsende 121 weist eine Drahtaufnahmeöffnung 125 auf, die zur Herstellung einer Verbindung mit den jeweiligen Vertiefungen 1231 verläuft, die in den äußeren Längswandsegmenten 123 gebildet sind.
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Der Handgriff 50 ist rohrförmig und besitzt einen vorderen Bereich 51, der eine nach vorn offene Aussparung bildet, die in Längsrichtung versäuft und zum Einsetzen des Schafts 12 in Längsrichtung konfiguriert ist, so daß er sich zum Drehen des Kopfes 11 um die Rotationsachse betätigen läßt, und ferner besitzt er einen hinteren Bereich 52, der dem vorderen Bereich 51 gegenüberliegt und eine Anzeigeöffnung 53 aufweist.
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Jede der Belastungserfassungseinheiten 20 ist in einer jeweiligen Vertiefung 1231 angebracht und beinhaltet einen belastbaren Körper 21, eine Halteeinrichtung und eine Belastungsmeßeinheit 22.
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Der belastbare Körper 21 ist aus einem Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul (E2) gebildet, der niedriger ist als der erste Elastizitätsmodul (E1), wobei es sich z. B. um Aluminiumlegierung mit einem E2-Wert von E = 70 GPa handelt, und er weist eine Meßträger-Hauptwand auf, die an dem jeweiligen äußeren Längswandsegment 123 derart angeordnet ist, daß der belastbare Körper 21 in einer Benutzungsposition plaziert ist, in der der belastbare Körper 21, ansprechend auf eine Drehbewegung des Handgriffs 50 um die Rotationsachse, einer Dehnung in Längsrichtung ausgesetzt ist.
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Genauer gesagt, es weist die Meßträger-Hauptwand eine innere und eine äußere Hauptfläche 211, 212 auf, die einander gegenüberliegen und die nahe bzw. entfernt von dem jeweiligen äußeren Längswandsegment 123 angeordnet sind. Die innere Hauptfläche 211 ist in der Benutzungsposition an dem Bodenbereich 1232 des jeweiligen äußeren Längswandsegments 123 angebracht und relativ zu diesem Bodenbereich in Längsrichtung dehnbar, wobei sie von dem vorderen und dem hinteren Randbereich 1233, 1234 in der in 5 dargestellten Weise beabstandet ist.
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Die Halteeinrichtung beinhaltet zwei Schraubenöffnungen 1235, die in dem Bodenbereich 1232 jedes äußeren Längswandsegments 123 gebildet sind und die einander in Längsrichtung gegenüberliegen, zwei Langlöcher 213, die sich von der äußeren Hauptfläche 212 bis auf die innere Hauptfläche 211 hindurch erstrecken und die in Längsrichtung länglich ausgebildet sind, sowie zwei Schrauben 23.
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Jede Schraube 23 hat einen Schraubenschaft 231, der sich durch ein jeweiliges Langloch 213 hindurch erstreckt und mit einer jeweiligen, damit ausgefluchteten Schraubenöffnung 1235 in gewindemäßigen Eingriff tritt, sowie einen vergrößerten Kopf 232, der an der äußeren Hauptfläche 212 um das betreffende Langloch 213 herum anliegt, um den belastbaren Körper 21 an einer Bewegung von dem Bodenbereich 1232 weg in Querrichtung zu hindern und gleichzeitig die Dehnungsbewegung des belastbaren Körpers 21 in Längsrichtung zuzulassen.
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Jede Belastungsmeßeinheit 22 beinhaltet zwei Belastungsmesser 221, die an der äußeren Hauptfläche 212 des jeweiligen belastbaren Körpers 21 zwischen den Langlöchern 213 angebracht sind, wobei sie von dem vorderen Bereich 51 des Handgriffs 50 in Querrichtung beabstandet sind und voneinander in Längsrichtung beabstandet sind, wie dies in 5 gezeigt ist.
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Jeder der Belastungsmesser 221 erfaßt eine Veränderung der Widerstandswerte, die eine Funktion ist von dem Ausmaß der Dehnungsverformung des belastbaren Körpers 21 infolge der Drehmomentausübung durch den Kopf 11, wenn der Kopf 11 das Werkstück um die Drehachse dreht, und setzt die Änderung der Widerstandswerte in ein elektrisches Signal um.
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Wie in den 1 und 4 zu sehen, ist die Verarbeitungsschaltung 30 an dem Schaft 12 angebracht und mit den Belastungsmessern 221 durch elektrische Drähte 60 elektrisch verbunden, die sich durch die Drahtaufnahmeöffnung 125 hindurch erstrecken. Die Verarbeitungsschaltung 30 berechnet eines Wert des auf das Werkstück ausgeübten Drehmoments in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal von den Belastungsmeßeinheiten 22, um auf diese Weise ein Ausgangssignal zu erzeugen.
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Die Anzeigeeinheit 40 ist in dem hinteren Bereich 52 des Handgriffs 50 aufgenommen und mit der Verarbeitungsschaltung 30 elektrisch verbunden, um das Ausgangssignal von der Verarbeitungsschaltung 30 zu empfangen und das Ausgangssignal in eine visuelle Darstellung zur Betrachtung durch die Anzeigeöffnung 53 hindurch umzuwandeln. Da die Verarbeitungsschaltung 30 und die Anzeigeeinheit 40 in der Technik bekannt sind, kann der Einfachheit halber auf eine ausführliche Beschreibung von diesen verzichtet werden.
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Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 wird bei Aufbringung eines Drehmoments auf den Kopf 11 zum Drehen eines Werkstücks um die Rotationsachse die Drehmoment erzeugende Kraft aufgrund des Eingriffs der Bodenbereiche 1232 der äußeren Längswandsegmente 123 mit den inneren Hauptflächen 211 der belastbaren Körper 21 auf die belastbaren Körper 21 übertragen, so daß dies zu einer Dehnungsverformung der belastbaren Körper 21 führt.
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Aufgrund des Vorhandenseins der Langlöcher 231 und der Freiräume zwischen den belastbaren Körpern 21 und den vorderen bzw. hinteren Randbereichen 1233, 1234 wird die Verformungsverlagerung der belastbaren Körper 21 nicht durch die äußeren Längswandsegmente 123 des Schafts 12 behindert, so daß eine exakte Drehmomentmessung erzielt werden kann.
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Da ferner die Belastungsmesser 221 an dem belastbaren Körper 21 angebracht sind, können die Belastungserfassungseinheiten 20 im Fall eines Defekts der Belastungsmesser 221 für einen Austausch von diesen aus den Vertiefungen 1231 entfernt werden. Ferner sind im Vergleich zu den eingangs genannten herkömmlichen Schraubenschlüssels mit elektrischer Drehmomentanzeige die Vorgänge für die spanende Bearbeitung der belastbaren Körper 21 einfacher, während gleichzeitig ein höheres Maß an Genauigkeit erzielt werden kann, so daß sich die Herstellungskosten reduzieren lassen.
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Gemäß der vorstehend genannten Beziehung zwischen der Belastung (ε) und dem Biegemoment (M) kann aufgrund der Anbringung der Belastungsmesser 221 an dem jeweiligen belastbaren Körper 21 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Distanz (y) von den Belastungsmessern 221 bis zu einer neutralen Linie (X) des jeweiligen belastbaren Körpers 21 größer gemacht werden als im Fall des eingangs geschilderten herkömmlichen Drehmomentschlüssels.
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Da ferner der zweite Elastizitätsmodul (E2) des belastbaren Körpers 21 niedriger ist als der erste Elastizitätsmodul (E1) des Schafts 12 und da der belastbare Körper 21 ein Trägheitsmoment (I) hat, das geringer ist als das des Handgriffs 101 des eingangs beschriebenen herkömmlichen Drehmomentschlüssels, ist die bei den Belastungsmessern 221 des vorliegenden Ausführungsbeispiels erzeugte Belastung (ε) höher als im Fall des eingangs beschriebenen herkömmlichen Drehmomentschlüssels, so daß sich eine beträchtliche Veränderung der Widerstandswerte für die Verarbeitung durch die Verarbeitungsschaltung 30 ergibt und somit ein exakter Drehmomentwert erzielt werden kann.
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Wie in den 6 bis 8 gezeigt, ist das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Schraubenschlüssels mit Drehmomentanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung hinsichtlich Konstruktion, Funktion und Wirkung ähnlich dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die äußere Hauptfläche 212 des belastbaren Körpers 21 der Belastungserfassungseinheit 20 weist eine Aufnahmenut 214 auf, die in Richtung auf die innere Hauptfläche 211 vertieft ist.
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Die Belastungsmeßeinheit 22 beinhaltet eine Vielzahl von Belastungsmessern, die in ein Chip-Set 222 integriert sind, das in der Aufnahmenut 214 aufgenommen ist, sowie ein Trägersubstrat 223, das an der äußeren Hauptfläche 212 angebracht ist und das von dem vorderen Bereich 51 des Handgriffs 50 beabstandet ist. Das Trägersubstrat 223 weist eine Vielzahl von elektrischen Kontakten 2232 sowie eine Öffnung 2231 auf, die mit dem Chip-Set 222 derart ausgefluchtet ist, daß die elektrischen Kontakte 2232 mit dem Chip-Set 222 elektrisch verbunden sind.
