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Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung zur Übertragung eines Drehmoments in ein Verbindungselement, beispielsweise eine Schraube oder eine Mutter, aufweisend eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen zur Reduzierung von effektiven Reibungszahlen und Vorspannkraftstreuungen.
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Stand der Technik
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Aus der
US 7800283 B2 ist eine Schraubenanziehvorrichtung bekannt, welche das aufzubringende Drehmoment im Schraubenkopf durch das Einbringen von Ultraschallschwingungen reduziert, welche durch externe Krafteinwirkung aufgebracht werden muss. Die Ultraschallschwingungen werden mit Hilfe einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen erzeugt, welche aufgrund unterschiedlicher Phasenlagen der erzeugten Ultraschallschwingungen Biegeschwingungen in der Schraube generieren, sodass die Schraube mit reduziertem Drehmoment oder nur durch die Biegeschwingungen angezogen werden kann.
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Weiterhin ist aus der
EP 0959268 B1 eine Vorrichtung zum Antrieb einer Gewindespindel mittels Ultraschallschwingungen bekannt, wobei die Vorrichtung eine Schraubspindeldrehvorrichtung umfasst, welche die Schraubspindel mittels mehrerer Schwinger und Federn in Drehung versetzt.
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Weiter offenbart die
DE 10 2014 203 756 A1 eine Vorrichtung zum Herstellen einer Schraubverbindung, wobei diese herkömmliche Vorrichtung eine Schraubeinrichtung aufweist, mittels derer ein Drehmoment auf ein Schraubenelement übertragbar ist. Zudem weist die Vorrichtung eine Vibrationseinrichtung auf, mittels derer Vibrationen auf das Schraubenelement übertragen werden können.
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Die
US 2015 / 0 260 592 A1 offenbart ein Werkzeug zum Messen einer Vorspannkraft einer Schraubverbindung. Bei einem Anziehen der Schraubverbindung mittels des Werkzeugs wird mittels eines Ultraschallwandlers, der einen piezoelektrischen Kristall aufweist, Ultraschall erzeugt, der zum Messen der Vorspannkraft in die Schraubverbindung geschickt wird. Von der Schraubverbindung reflektierter Ultraschall wird vom Ultraschallwandler empfangen. Basierend auf einem Unterschied zwischen einem im ungespannten Zustand der Schraubverbindung reflektierten Ultraschall und einem im gespannten Zustand der Schraubverbindung reflektierten Ultraschall wird die Vorspannkraft der Schraubverbindung berechnet.
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Zur Sicherstellung einer fehlerfreien Verschraubung werden darüber hinaus insbesondere in der Automobilindustrie standardisierte Anziehmethoden zum Verschrauben von Bauteilen eingesetzt. Bei der Montage von Schraubenverbindungen werden neben den Standard-Steuergrößen Drehmoment und Drehwinkel weitere Kontrollparameter wie beispielsweise das Einschraubmoment, Stick-Slip-Überwachung, Schraubzeit- und Streckgrenzkontrolle vorgegeben, wobei zur Erzielung eines optimalen Verschraubungsergebnisses die Streuung der tatsächlich aufgebrachten Werte dieser Verschraubungsparameter möglichst gering sein sollte.
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Während des Verschraubens gehen etwa 90 % des eingebrachten Drehmoments durch Reibung zwischen dem Schraubengewinde und dem Verbindungselement, sowie im Unterkopfbereich verloren. Im Mittel stehen demnach nur noch 10 % des Drehmoments zur Erzeugung der erforderlichen Vorspannkraft zur Verfügung. In Großserienmontagen führen die Reibungseinflüsse bei einem drehmomentgesteuerten Anzug gleichzeitig zu einer Vorspannkraftstreuung von mehr als +/- 25 %. Um ein optimales Verschraubungsergebnis zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Reibung zwischen den Verschraubungspartnern und damit die Streuung der Vorspannkräfte in den einzelnen Schraubenverbindungen zu reduzieren.
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Bisher werden Reibungseinflüsse durch überelastische Schraubmontagen reduziert, wodurch eine Reduzierung der Vorspannkraftstreuung um etwa 50 % erreicht werden kann. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass bei einer Nacharbeit oder Remontage der verschraubten Bauteile neue Verbindungselemente verwendet werden müssen. Darüber hinaus erfordert das Verfahren eine angepasste, konstruktive Auslegung der Verbindungselemente und der Fügeteile, und es sind deutlich größere Leistungen des Schraubwerkzeuges, im Vergleich zu anderen Verschraubungsmethoden erforderlich, um bei größtmöglicher Reibung die erforderliche Mindestvorspannkraft sicherzustellen.
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Weiterhin sind nach dem Stand der Technik Impulsschrauber bekannt, welche Schwingungen mit longitudinaler und transversaler Ausbreitung in den Verbindungselementen erzeugen, diese führen zu einer Verringerung der Reibung. Der Einsatz von Impulsschraubern ist nachteilig, da diese mehrheitlich in der Pistolenform ausgeführt werden und damit nicht für jede Schraubstelle geeignet sind. Zudem sind Impulsschrauber im Vergleich zu modernen Elektroschraubern sehr wartungsintensiv, und abhängig von der vorliegenden Schraubstelle kann der vom Impulsschrauber erzeugte Schallpegel 80 Dezibel übersteigen.
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Zur Qualitätssicherung wird der Verschraubungsprozess durch standardisierte Überwachungsverfahren kontrolliert. Die zulässigen Überwachungsverfahren sind in entsprechenden Normen festgelegt, wobei insbesondere für Verschraubungsprozesse in der Automobilindustrie festgelegt ist, dass Drehmomente beim Verschrauben direkt gemessen werden müssen, wobei nur rückführbare kalibrierbare Drehmomentsensoren zum Einsatz kommen dürfen. Nach dem Stand der Technik sind solche Schraubvorrichtungen, welche überhöhte Reibungszahlen zwischen den Verschraubungselementen erheblich reduzieren und darüber hinaus mit standardisierten Überwachungsverfahren kompatibel sind, nicht bekannt.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schraubvorrichtung bereitzustellen, mit welcher die erforderlichen Mindestvorspannkräfte für den Verschraubungsprozess sicher erreicht werden können, wobei stark streuende Vorspannkräfte in Folge hoher Reibung zwischen den Verschraubungselementen vermieden werden. Die Schraubvorrichtung ist dabei für die Herstellung jeglicher Art von Schraubenverbindung einsetzbar, insbesondere jedoch für hochfeste Schraubenverbindungen, wie sie insbesondere mit Elektroschraubwerkzeugen in der Automobilindustrie hergestellt werden.
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Die Erfindung sieht eine Schraubvorrichtung vor, welche eine Aufnahmevorrichtung zur Übertragung eines Drehmoments in ein Verbindungselement aufweist, wobei die Aufnahmevorrichtung mittels eines Antriebs, insbesondere mittels eines bürstenlosen Gleichstrommotors, angetrieben wird. Das Verbindungselement kann jedes Verbindungsmittel, welches sich zur Verschraubung eignet, sein, wie beispielweise eine Schraube mit unterschiedlichen Kraftangriffen wie beispielsweise Sechskant, Innen- und Außenvielzahn oder Innen- und Außentorx sowie Kreuzschlitz, oder eine Mutter. Die Schraubvorrichtung weist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen auf, welche in den Schraubenkopf einleitbar sind. Bei den Schwingungen handelt es sich vorzugsweise um Schwingungen, welche sich entlang einer Längsachse des Verbindungselements, beispielweise der Rotationsachse einer Schraube, ausbreiten, jedoch durch die Gewindeflanken der Verbindungselemente auch transversale Schwingungen generieren.
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Die Schwingungen, welche in das Verbindungselement einleitbar sind, sind Ultraschallschwingungen. Die Einrichtung zur Erzeugung der Schwingungen ist dabei ein Piezokeramikschwinger oder ein elektromagnetischer Schwinger. Zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen können jedoch darüber hinaus auch andere nach dem Stand der Technik bekannte Ultraschallaktoren zum Einsatz kommen. Der Einsatz von Ultraschallschwingungen hat sich als besonders vorteilhaft zur Reduzierung von Reibung zwischen den Verschraubungspartnern erwiesen. Darüber hinaus kommt es durch die Einleitung von Ultraschallschwingungen zu keiner Geräuschbelastung während des Schraubvorgangs, da sich die Schwingungen im für den Menschen nicht hörbaren Frequenzbereich befinden.
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Die Einleitung der Schwingungen in den Schraubenkopf findet vorzugsweise während der Endanzugphase des Schraubprozesses statt, wobei die Dauer der Schwingungseinleitung je nach Schraubfallhärte vorzugsweise etwa 1 bis 4 Sekunden beträgt.
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Eine derartige Schraubvorrichtung kann ebenfalls geschaffen werden, indem ein bereits existierendes Schraubwerkzeug nachgerüstet wird, wobei die Schraubvorrichtung um eine Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen erweitert wird.
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Mit Hilfe der sich entlang der Längsachse des Verbindungselements ausbreitenden Schwingungen, welche im Folgenden als axiale Schwingungen bezeichnet werden, lassen sich während des Verschraubens störende Reibungseinflüsse im Gewinde einer Schraube oder Mutter sowie der Kopfauflage einer Schraube deutlich mindern oder sogar unterbinden. Zudem wird das Verschraubungsergebnis verbessert, da hohe Reibungen kompensiert und Stick-Slip-Effekte verhindert werden. Damit werden Vorspannkraftstreuungen deutlich reduziert, womit ein Verschrauben mit zu geringen Vorspannkräften vermieden wird. Ein Verschrauben mit unzureichender Vorspannkraft hat zur Folge, dass sich die Schraubenverbindung lockert.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, wobei mittels der Steuereinrichtung ein Wert für das übertragene Drehmoment zur Herstellung der Schraubenverbindung vorgebbar ist. Die Berechnung der Drehmomente erfolgt nach entsprechenden Spezifikationen und ist unter anderem abhängig von der Schraubengeometrie und der Schraubenfestigkeitsklasse. Zur Sicherstellung einer fehlerfreien Verschraubung wird das Drehmoment mittels zulässiger Montage- und Überwachungsverfahren direkt gemessen, wobei zur Messung der Drehmomente rückführbar kalibrierbare Drehmomentsensoren zum Einsatz kommen. Damit kann sichergestellt werden, dass die erforderlichen Vorspannkräfte bei vorgegebenen Reibungszahlentoleranzen während des Schraubvorgangs übertragen werden. Das Drehmoment ist dabei die wesentliche Steuergröße, welches durch zusätzliche Kontrollparameter wie beispielsweise den Drehwinkel überwacht werden kann, wofür zusätzlich entsprechende Sensoren vorgesehen sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schraubvorrichtung handhaltbar ausgeführt ist. In der handhaltbaren Ausführung kann die Schraubvorrichtung insbesondere ein Winkelschrauber sein oder in Form einer Pistole ausgeführt sein.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Schraubvorrichtung automatisiert, insbesondere mittels eines Werkzeugroboters, betrieben. Das bedeutet, dass die Führung des Schraubwerkzeuges durch beispielsweise einen Roboterarm durchgeführt wird, wobei die Bewegung des Roboterarms mittels einer entsprechenden Steuerung vorgegeben wird. Zusätzlich kann die Schraubvorrichtung als stationäre Schraubereinheit ausgeführt sein.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die Schraubvorrichtung ein Getriebe auf, wobei das Getriebe den Antrieb zur Übertragung des Drehmoments mit der Hohlwelle verbindet. An der Hohlwelle ist eine Aufnahmevorrichtung angeordnet, welche zur Aufnahme der Verbindungselemente dient. Dies kann beispielsweise eine Magnetnuss sein.
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Weiterhin ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Schraubvorrichtung mindestens eine axiale Durchgangsbohrung aufweist, in welcher ein Schwingungskopplungselement angeordnet ist. Dieses Schwingungskopplungselement, welches beispielsweise eine Stange sein kann, verbindet die Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen mit der Aufnahmevorrichtung für das Schraubwerkzeug, sodass die erzeugten Schwingungen an die zu verschraubenden Verbindungselemente übertragen werden können. „Axial“ bezieht sich dabei auf die Rotationsachse des Schraubwerkzeugs, wobei die Durchgangsbohrung entlang der Rotationsachse oder parallel zu dieser verlaufen kann.
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Vorteilhaft verläuft bei Schraubspindeln mit Offsetgetrieben sowie bei Handwerkzeugen mit Winkelabtrieb eine axiale Durchgangsbohrung durch das Getriebe, sodass das Schwingungskopplungselement durch die axiale Durchgangsbohrung und die Hohlwelle geführt werden kann. Zur optimalen Übertragung der Schwingungen von der Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen in das Schraubwerkzeug ist das Schwingungskopplungselement derart in der mindestens einen axialen Durchgangsbohrung und der Hohlwelle gelagert, dass keine Schwingungen an die Innenwand der mindestens einen axialen Durchgangsbohrung oder an die Innenwand der Hohlwelle übertragen werden, sodass die Schwingungen möglichst verlustfrei von der Einrichtung an das Schraubwerkzeug übertragen werden. Dazu ist beispielsweise eine federnde Lagerung des Schwingungskopplungselements in der mindestens einen axialen Durchgangsbohrung und der Hohlwelle vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der elektrische Antrieb auf der Rotationsachse des Schraubwerkzeugs angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung ist die Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen zwischen dem Getriebe und dem Schraubwerkzeug angeordnet. Dabei findet die Energieversorgung der Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen über einen Schleifringübertrager statt. Dabei sind der Antrieb, das Getriebe, der Schleifringübertrager, die Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen sowie die Hohlwelle sequenziell auf der Rotationsachse des Schraubwerkzeugs angeordnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schraubvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen zur Schwingungsanregung der gesamten Schraubvorrichtung ausgebildet ist. Dabei wird die gesamte Schraubereinheit durch einen Schwingungsanreger in Schwingungen versetzt und damit die Schwingungen in die Verschraubungselemente direkt eingeleitet. Damit entfallen Koppelelemente und Durchgangsbohrungen. Dadurch können die Reibungseinflüsse auf einfache Weise reduziert werden, da die technische Umsetzung dieser Lösung weniger aufwändig ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Schraubvorrichtung, wobei der Antrieb und das Getriebe versetzt zur Rotationsachse des Werkzeugs angeordnet sind (bezeichnet als Offsetabtrieb),
- 2: eine Schraubvorrichtung bei handgeführten Schraubwerkzeugen in der Ausführungsform als Winkelschrauber und
- 3: eine Schraubvorrichtung, wobei der Antrieb und das Getriebe auf der Rotationsachse des Werkzeugs angeordnet sind.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der Schraubvorrichtung 100 mit einem Antrieb 11, welcher über ein Getriebe 12, insbesondere ein Offsetgetriebe, eine Hohlwelle 13 antreibt. Die Hohlwelle 13 ist mit einer Aufnahmevorrichtung 14, beispielweise mit einer Magnetnuss, verbunden, welche zur Aufnahme des Verbindungselementes 17 dient. Die Drehbewegung der Hohlwelle 13 wird über einen Teleskopantrieb an die Magnetnuss 14 und das Verbindungselement 17 übertragen. Der Antrieb 11 und das Getriebe 12 sind versetzt zur Rotationsachse 19 des Verbindungselements 17 angeordnet. An dem, dem Verbindungselement 17 abgewandten Ende der Hohlwelle 13 ist die Einrichtung 10 zur Erzeugung von Schwingungen, welche hier als Piezokeramikschwinger ausgeführt ist, angeordnet. Innerhalb der Hohlwelle 13 ist eine Schwingungskopplungsvorrichtung 16 zur Übertragung der Schwingungen vom Piezokeramikschwinger zur Aufnahmevorrichtung 14 und dem Verbindungselement 17 angeordnet. Über die Aufnahmevorrichtung 14 wird die Schwingung in den gezeigten Schraubenkopf eingeleitet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schraubvorrichtung 100, wobei die Schraubvorrichtung 100 als handgehaltener Winkelschrauber ausgeführt ist und gleiche Teile wie bei der ersten Ausführungsform gemäß 1 gleich bezeichnet sind. Um damit auch für enge Schraubstellen zugänglich zu sein, ist die Hohlwelle 13 kürzer als in der Ausführung gemäß 1 ausgeführt und der Antrieb 11 ist um 90° geschwenkt zur Rotationsachse 19 des Verbindungselements 17 angeordnet. Die Schraubvorrichtung 100 weist insgesamt eine längliche Form mit einer Längsachse auf, wobei die Rotationsachse 19 des Schraubwerkzeugs senkrecht auf der Längsachse des Verbindungselements 17 steht.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Schraubvorrichtung 100, wobei der Antrieb 11, das Getriebe 12, die Einrichtung 10 zur Erzeugung von Schwingungen und die Magnetnuss 14 mit Verbindungselement 17 auf der Rotationsachse 19 angeordnet sind. Die Aufnahmevorrichtung 14 ist über eine Hohlwelle 13, in welcher eine Schwingungskopplungsvorrichtung 16 angeordnet ist, mit der Schwingungskopplungsvorrichtung 16 verbunden. Die Schwingungskopplungsvorrichtung 16 ist über einen Schleifringübertrager 15 mit dem Getriebe 12 verbunden, sodass die Energieversorgung der Schwingungskopplungsvorrichtung 16 über den Schleifringübertrager 15 stattfindet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schraubvorrichtung
- 10
- Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen
- 11
- Antrieb
- 12
- Getriebe
- 13
- Hohlwelle
- 14
- Aufnahmevorrichtung
- 15
- Schleifringübertrager
- 16
- Schwingungskopplungsvorrichtung
- 17
- Verbindungselement
- 18
- axiale Durchgangsbohrung
- 19
- Rotationsachse des Schraubwerkzeugs
