DE10243761B4

DE10243761B4 - Prüfstand für Kraftschrauber mit einem Aggregat zur Simulation des Gegenmoments

Info

Publication number: DE10243761B4
Application number: DE10243761A
Authority: DE
Inventors: Luigi Bareggi; Angelo Chiapuzzi
Original assignee: Atlas Copco BLM SRL
Current assignee: Atlas Copco Industrial Technique AB
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2022-09-21
Also published as: ITMI20011990A0; DE10243761A1; DE10243762A1; ITMI20011990A1; US6718831B2; DE10243762B4; US20030056605A1

Abstract

Prüfstand (10, 110, 210) für Kraftschrauber, bestehend aus einer mit einer Bremseinheit (14, 114, 214) verbundenen Kupplung (12, 112, 212) zur Verbindung mit dem Kopf (13) eines Kraftschraubers, und einer Sensoreinheit (15, 115, 215), die die zwischen der Kupplung (12, 112, 212) und der Bremseinheit übertragenen mechanischen Größen erfasst, wobei die Bremseinheit (14, 114, 214) eine Reibungsbremse mit Bremsflächen (131, 132) umfasst, die bei Betätigung der Bremse gesteuert in einer Bremsrichtung gegeneinander gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse ein bewegliches Element (18, 118, 218) für den Druck der Bremsflächen in die Bremsrichtung hat, das durch eine nicht dehnbare Wand (19, 119, 219), deren Gestaltung eine Verformung in Bremsrichtung zulässt, um die Bremsenachse verdrehsicher gesichert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfstand für Kraftschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und bezieht sich auf die Ausbildung der Bremseinheit, die zur Simulation eines mit einer Reibungsbremse erzeugten Gegenmoments zum Anzugsmoment des Kraftschraubers dient.
Prüfstände für Kraftschrauber sind Stand der Technik. Diese Prüfstände simulieren das Gegenmoment einer Schraube in der Anzugsphase und messen gleichzeitig die Kennwerte für Drehmoment und Drehwinkel, die ein im Prüfstand eingesetzter Kraftschrauber aufbringt, und melden die Abweichungen dieser Kennwerte von einer zuvor festgelegten Kennlinie.
Bei diesen Prüfständen ist die korrekte Simulation des Gegenmoments der kritischste Teil, damit die durchgeführten Messungen tatsächlich repräsentativ für die Funktion des Kraftschraubers im normalen Gebrauch sind.
Bei dem bekannten Prüfstand nach der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 05 457 A1 besteht die Bremseinheit aus einer berührungslos arbeitenden elektromagnetisch wirkenden Bremse. Bei einem anderen bekannten Prüfstand nach der US Patentschrift 5,886, 246 wird die Bremseinheit durch einen gesteuerten Elektromotor gebildet. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 28 53 908 ist ein Prüfstand bekannt, bei dem die Bremseinheit mit einer Reibungsbremse bremste, deren Reibungsglieder hydraulisch oder pneumatisch durch ein Druckmittel mit einstellbarem Druckanstieg beaufschlagt werden. Bei einer Bremseinheit zum Eichen einer Werkzeugmaschine, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 14 545 beschrieben ist, überträgt ein Klemmstück den von Belleville-Dichtringen ausgeübten Druck auf zwei ringförmige Reibungsstücke, die zu beiden Seiten einer Metallscheibe angeordnet sind, wobei das eine ringförmige Reibungsstück am Boden einer Hülse befestigt ist.
Bei einem anderen bekannten System umfasst der Prüfstand eine kleine Platte bzw. Scheibe, in die der zu prüfende Kraftschrauber eingesteckt wird. Gegen die kleine Platte wird mittels eines Hydraulikzylinders eine Reibscheibe gedrückt, so dass eine Bremskraft erzeugt wird. Da das gesamte vom Kraftschrauber erzeugte Drehmoment auf die Reibscheibe wirkt, muss diese Scheibe natürlich gegen axiale Drehung gesichert werden. Da der Druckzylinder keinerlei Widerstand gegen Drehung bieten kann, bewegt sich die Scheibe entlang geeigneten Führungen, die ihre Drehung verhindern, so dass sie sich nur in axialer Richtung der zu bremsenden kleinen Platte nähern kann.
Es wurde jedoch festgestellt, dass diese einfache Struktur einige Probleme bei der Erzeugung der Bremsrampe und demzufolge bei der Genauigkeit der auf dem Prüfstand durchgeführten Messungen mit sich bringt. Bei auf diese Weise ausgeführten Prüfständen wurden nämlich Messschwankungen insbesondere kurz vor dem Stillstand festgestellt. Diese Schwankungen sind hauptsächlich auf die verwendete Struktur des Bremssystems zurück zu führen.
Es besteht nämlich ein, wenn auch kleines, Spiel in der Verbindung zwischen Scheibe und Führungen, das für das freie axiale Verschieben der Scheibe entlang den Führungen unerlässlich ist. Es ist festgestellt worden, dass dieses Spiel während der Bremssimulation Schwingungen zyklischer Art erzeugt, die die Bremslinearität verfälschen.
Allgemeines Ziel der Erfindung ist es, den oben erwähnten Nachteilen zu begegnen, indem ein Prüfstand für Kraftschrauber geschaffen wird, der frei ist von Messunsicherheiten, wie sie durch Vibrationen und Schwingungen der bekannten und beschriebenen Bremssysteme erzeugt werden.
Dieses Ziel wird mit einem Prüfstand für Kraftschrauber erreicht, wie er mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen angegeben ist.
Um den Erfindungsgedanken und die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik noch klarer darzulegen, werden nachfolgend an Hand der beigefügten Zeichnungen mögliche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, in denen der Erfindungsgedanke zur Anwendung kommt. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prüfstandes;
2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prüfstandes; und
3 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prüfstandes.
Bezugnehmend auf die Figuren zeigt 1 schematisch den Querschnitt eines ersten allgemein mit 10 bezeichneten Prüfstandes. Aus der Platte 11 des Prüfstandes kragt eine bekannte Kupplung 12 aus, die mit dem Kopf 13 eines bekannten zu prüfenden Kraftschraubers zu verbinden.
Zwischen der Kupplung 12 und der mit ihr verbundenen Bremseinheit 14 ist eine Sensoreinheit 15 für die Erfassung von mechanischen Größen, wie Drehmoment und Drehwinkel, geschaltet, die von der Kupplung zur Bremseinheit übertragen werden. Die Sensoreinheit ist mit einer Aufnehmer- und Kontrollvorrichtung 16, beispielsweise einem Mikroprozessor, nach dem Stand der Technik verbunden, die deshalb nicht näher gezeigt und beschrieben wird. Während der Prüfungen eines Kraftschraubers steuert die Vorrichtung 16 in geeigneter Weise die Bremseinheit 14 und erfasst über die Sensoreinheit 15 die Kennwerte des Kraftschraubers, um die Übereinstimmung des Kraftschraubers mit festgelegten Prüfparametern festzustellen. Diese Messungen und Prüfungen sind als solche dem Fachmann in diesem Gebiet bekannt und werden deshalb an dieser Stelle nicht näher beschrieben oder gezeigt.
Die Bremseinheit 14 umfasst Bremsflächen, die durch eine Scheibe oder ein bewegliches Element 18 gegeneinander gedrückt werden, dessen Bewegung von der Vorrichtung 16 durch ein Stellglied gesteuert wird. Insbesondere umfasst die Bremse eine vom Kraftschrauber in Drehbewegung versetzte kleine Platte 17, die durch die gegen sie drückende Scheibe oder das bewegliche Element 18 gesteuert gebremst wird.
Für den Druck der Scheibe 18 gegen die kleine Platte 17 umfasst die Bremseinheit eine nicht dehnbare Wand 19, deren Gestaltung aber eine Verformung in Richtung des Bremsendrucks zulässt. In der Ausführung nach 1 ist diese Wand als zwischen der Scheibe und dem Prüfstandgestell angeordneter rohrförmiger Faltenbalg ausgeführt. Die Wand ist in einem Werkstoff ausgeführt, der geeignet ist, Torsionssteifigkeit gegen das vom Kraftschrauber entwickelte Drehmoment zu bieten. Es hat sich beispielsweise als vorteilhaft erwiesen, die Wand aus nichtrostendem Stahlblech geringer Stärke auszuführen.
Der Faltenbalg ist hermetisch ausgeführt und bildet eine innere Kammer, in die die Vorrichtung 16 Steuerflüssigkeit oder -öl unter Druck speist. Die auf die gesamte Innenfläche des Faltenbalgs gleichmäßig wirkendende Flüssigkeit verursacht einen dem mittleren Durchmesser des Faltenbalgs und dem Öldruck proportionalen axialen Druck, während der Druck auf die Seitenwand durch die gewellte Verrippung des Faltenbalgs mit einer lediglich kleinen elastischen Ausdehnung aufgenommen wird.
Es muss festgestellt werden, dass die Scheibe 18 sich auf dem Prüfstandsgestell über einen axialen Führungsbundring 20 abstützt, der jedoch die Drehbewegung der Scheibe nicht behindert. Dem Drehmoment wirkt im wesentlichen die Torsionssteifigkeit des Faltenbalgs entgegen.
Die hohe Torsionssteifigkeit des Faltenbalgs hebt die Notwendigkeit von kräftigen Gegenwirkungsschienen oder -stiften auf, die dagegen bei Ausführungen nach dem Stand der Technik mit einem normalen hydraulischen Zylinder unerlässlich sind.
Um die Rückkehr des Faltenbalgs in seine Ausgangslage sicher zu stellen, sind Federn 21 vorhanden, die Druck auf den mit dem Faltenbalg fest verbundenen Führungsbundring ausüben. Eine zweitrangige Aufgabe der Federn besteht darin, (durch die Öldruckregelung in der Ruhephase) sicher zu stellen, dass sich das Reibmaterial der Scheibe in einer konstanten Lage und mit geringem Abstand zur sich drehenden kleinen Platte befindet, um den Arbeitshub auf ein Minimum zu reduzieren, um auf diese Weise Öl zu sparen und die Bremsrampe weich und ohne abrupte Kontakte zu beginnen.
2 zeigt eine abweichende Ausführungsform des Prüfstands nach 1. Der Einfachheit halber sind in 2 die den in 1 ähnlichen Einzelheiten mit der gleichen um 100 erhöhten Nummerierung bezeichnet.
Es handelt sich um einen Prüfstand 110 mit einer Kupplung 112, die geeignet ist, sich mit dem Kopf eines bekannten zu prüfenden Kraftschraubers zu verbinden. Die Kupplung 112 ist mit einer Bremseinheit 114 und einer bekannten Sensoreinheit 115 für die Erfassung von mechanischen Größen, wie Drehmoment und Drehwinkel, verbunden, die von der Kupplung zur Bremseinheit übertragen werden. Die Sensoreinheit ist des weiteren mit einer Aufnehmer- und Kontrollvorrichtung 16, wie in 1 gezeigt, verbunden.
Die Bremseinheit 114 umfasst eine vom Kraftschrauber in Drehbewegung versetzte kleine Platte 117, die durch die gegen sie drückende Scheibe oder das bewegliche Element 118 gebremst wird, das von der Vorrichtung 16 mittels eines Faltenbalges 119 einen Druck, der von der Vorrichtung 16 mit Flüssigkeit versorgt wird, gegen die kleine Platte gesteuert aufbringt. Wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsform ist der Faltenbalg aus einem Werkstoff gefertigt, beispielsweise nichtrostendem Stahlblech geringer Stärke, der geeignet ist, Torsionssteifigkeit gegen das vom Kraftschrauber entwickelte Drehmoment aufzubringen. Federn 121 unterstützen die Rückkehr der Bremse in die Ruhelage, während eine Verbindung mittels verschiebbar gelagertem Rundring 120 die Bewegung der Scheibe 118 führt.
Bei der Ausführungsform in 2 ist die Scheibe 118 eine Druckscheibe, die über eigene Flächen 130 gegen die kleine Platte 117 drückt, um diese in Richtung einer feststehenden Bremsfläche 131 auf der anderen Seite der gleichen kleinen Platte zu verschieben. Für eine freie Axialbewegung ist die kleine Platte über eine axial verschiebbar gelagerte Verbindung 132 mit der Welle 133 verbunden. Die Druck- und Bremsflächen der kleinen Platte sind ringförmig.
Da die kleine Platte einem auf ihren beiden Flächen ausgeglichenem Druck ausgesetzt ist, kann sie aus dünnwandigem Werkstoff hergestellt werden, was der Verringerung der Bremsenträgheit zugute kommt. Dadurch sind die Messungen auf dem Prüfstand genauer.
Die Flächen 130, 131 können beide Reibflächen sein. Um die von der Bremse auf den Faltenbalg übertragenen axialen Drehmomente zu verringern, hat es sich in einigen Fällen als vorteilhaft herausgestellt, die vom Faltenbalg bewegte Fläche 130 aus einem Werkstoff mit niedrigem Reibwert (zum Beispiel Teflon) herzustellen, während die feststehende Fläche 131 aus einem Werkstoffgefertigt ist, um die geeignete Bremsreibung aufzubringen. Die kleine Platte kann aus Stahl gefertigt sein.
Als vorteilhaft hat sich auch herausgestellt, die Bremse in einem Ölbad zu halten. In diesem Fall kann auch die Volumenerhöhung des in die Endlage gelangten Faltenbalgs genutzt werden, um einen Umlauf des Ölbades zu bewirken. Zu diesem Zweck befindet sich der Faltenbalg 119 in einer Kammer 138, die von der Kammer 139 getrennt ist, in der die Bremse enthalten ist. Die verschiebbare Verbindung 120 ist öldicht. Beide Kammern sind mit Öl gefüllt und über erste und zweite Durchlässe 134, 136, die in die Scheibe 118 eingearbeitet sind, miteinander verbunden. Die Durchlässe 134, 136 sind jeweils mit zueinander entgegengesetzten Ein-Richtungsventilen 135, 137 ausgestattet. Die Ausdehnung des Faltenbalgs pumpt auf diese Weise Öl aus der Kammer 138 über einen der beiden Durchlässe in die Kammer 139 und die nachfolgende Kontraktion des Faltenbalgs pumpt Öl über den anderen Durchlass in die entgegengesetzte Richtung. Die ersten Durchlässe münden im inneren Bereich der Ringflächen der Bremse in die Kammer, während die zweiten Durchlässe im äußeren Bereich der Ringflächen der Bremse in die Kammer münden, so dass der Ölfluss die Bremse durchströmt. Die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit ermöglicht das Entfernen von möglichen Rückständen aus dem Inneren der Bremse. Außerdem wirkt sich die Zentrifugalkraft günstig auf diese Bewegung aus.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prüfstandes gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der mit einer Kupplung 212 für den Kraftschrauber ausgerüstete Prüfstand 210 mit einer Bremseinheit 214 verbunden. Eine bekannte Sensoreinheit 215 erfasst die von der Kupplung an die Bremseinheit übertragenen mechanischen Größen, wie Drehmoment und Drehwinkel, und überträgt sie an die Aufnehmer- und Kontrollvorrichtung 216, die die Bremseinheit steuert.
Die Bremseinheit 214 umfasst eine vom Kraftschrauber in Drehung versetzte kleine Platte 217, die durch die Wirkung einer Scheibe oder eines beweglichen Elements 218 gebremst wird, welches die (auf der Welle verschiebbar gelagerte) kleine Platte gegen entgegengesetzte feststehende Bremsflächen 231 drückt. Zwischen der kleinen Platte 217 und der Scheibe 218 sind Gleitflächen 230 vorhanden.
Die Scheibe 218 wird durch eine nicht dehnbare Wand 219 gestützt, die jedoch in Bremsbetätigungsrichtung verformbar ist. In der besonderen Verwirklichung hat die Wand grundsätzlich ebene, quer zur Bremsbetätigungsrichtung liegende Erstreckung, mit konzentrisch zur Rotationsachse der Bremse verlaufender verformbarer Welligkeit. Die Wand ist peripher abgestützt.
Die Wand kann eine Kammer 241 abschließen, in die die Vorrichtung 216 Flüssigkeit unter Druck einspeist, um die Wand in Richtung der Kammeraußenseite zu verformen und auf diese Weise die Bremse zu betätigen. Alternativ kann ein Stellglied 240 vorgesehen werden, das die Scheibe 218 gegen die kleine Platte drückt, während die verformbare Wand dem von der Bremse auf die Scheibe 218 wirkenden Drehmoment einen Widerstand entgegensetzt.
Die natürliche Elastizität der Wand lässt die Rückkehr der Scheibe 218 in die Ruhelage zu, wenn der Druck der Flüssigkeit abgebaut ist.
Wie für die vorangehenden Ausführungsformen ist die Wand 219 aus einem geeigneten Werkstoff gefertigt, wie nichtrostendem Stahlblech geringer Stärke.
Damit ist klar, wie die vorgenommenen Ziele erreicht wurden, indem ein Prüfstand für Kraftschrauber geliefert wird, der eine hohe maßliche Genauigkeit und Wiederholbarkeit ohne Unsicherheiten liefert und gleichzeitig einen einfachen und kräftigen Aufbau aufweist.
Es ist gefunden worden, dass Prüfstände mit erfindungsgemäß verformbarer Wand die Mängel bei der Simulation der Bremsung vollständig eliminieren, insbesondere in der kritischsten und heikelsten Phase unmittelbar vor dem Stillstand des Kraftschraubers, indem virtuell alle Vibrationen und Unsicherheiten eliminiert werden, die von der Mechanik der Bremseinheit bekannter Prüfstände verursacht wurden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Verwendung eines Systems mit Faltenbalg oder Wand eine erhebliche Absenkung des Ölverbrauchs ermöglicht, der hoch ist und bei den bekannten Prüfständen wegen des Ölsickerns der herkömmlichen dichtungslosen Druckluftzylinder nicht eliminierbar ist. Andererseits ist bei den Systemen bekannter Technik eine zufriedenstellende Verwendung von Zylindern mit Dichtung wegen deren Reibung und der daraus folgenden hohen Hysterese des Systems nicht möglich. Der Schub wäre demnach mit zunehmendem Druck nicht hinreichend linear.
Der Ölverbrauch der Prüfstände bekannter Bauart zwingt zum häufigen Nachladen des Speicherbehälters und demzufolge zum unerwünschten Energieverbrauch. Außerdem sind bei der erfindungsgemäßen Lösung die hohen Kosten der dichtungslosen Zylinder beseitigt.
Die vorstehende Beschreibung einer Ausführungsform, die den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung verwirklicht, ist selbstverständlich nur beispielhaft für den Erfindungsgedanken angeführt und darf deshalb nicht als Beschränkung des Umfangs des Gegenstand des Patents angesehen werden. Der genaue Aufbau und die Proportionen der verschiedenen Teile des Prüfstandes sowie das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein anderer Teile bekannter Technik können sich beispielsweise je nach den besonderen Erfordernissen bei der Verwirklichung des Prüfstandes ändern.

Claims

Prüfstand (10, 110, 210) für Kraftschrauber, bestehend aus einer mit einer Bremseinheit (14, 114, 214) verbundenen Kupplung (12, 112, 212) zur Verbindung mit dem Kopf (13) eines Kraftschraubers, und einer Sensoreinheit (15, 115, 215), die die zwischen der Kupplung (12, 112, 212) und der Bremseinheit übertragenen mechanischen Größen erfasst, wobei die Bremseinheit (14, 114, 214) eine Reibungsbremse mit Bremsflächen (131, 132) umfasst, die bei Betätigung der Bremse gesteuert in einer Bremsrichtung gegeneinander gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse ein bewegliches Element (18, 118, 218) für den Druck der Bremsflächen in die Bremsrichtung hat, das durch eine nicht dehnbare Wand (19, 119, 219), deren Gestaltung eine Verformung in Bremsrichtung zulässt, um die Bremsenachse verdrehsicher gesichert ist.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (19, 119, 219) eine Kammer umschließt, in die gesteuert Druckflüssigkeit eingeleitet wird, um die Verformung der Wand in Bremsrichtung zu bewirken und die Bremse zu betätigen.
Prüfstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand die Form eines Faltenbalgs (19, 119) hat, dessen Achse in Bremsrichtung ausgerichtet ist, wobei in den Faltenbalg gesteuert Druckflüssigkeit eingeleitet wird, um dessen Längung zu bewirken und das bewegliche Element (118) in Bremsrichtung zu verschieben.
Prüfstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bremsflächen in einer ersten Kammer (139) befinden und sich der Faltenbalg (119) in einer zweiten Kammer (138) befindet, wobei beide Kammern mit Öl gefüllt sind und zwischen ihnen ölumlaufdurchlässe (134, 136) bestehen, wobei die unter Druck in sie eingeleitete Flüssigkeit eine radiale Ausdehnung des Faltenbalgs und einen Ölumlauf zwischen den Kammern (139, 138) durch die Durchlässe (134, 136) bewirkt.
Prüfstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsflächen ringförmige Kränze (130, 131) sind und die Umlaufdurchlässe erste Durchlässe (136) umfassen, die in die erste Kammer (139) im äußeren Bereich der Ringflächen der Bremse münden, und zweite Durchlässe (136), die in die erste Kammer (139) im inneren Bereich der Ringflächen (130, 131) der Bremse münden, wobei die ersten und zweiten Durchlässe (136, 134) mit entgegengesetzt wirkenden Ein-Richtungsventilen (137, 135) ausgestattet sind.
Prüfstand nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass erste (139) und zweite Kammer (138) durch ein bewegliches Element (118) voneinander getrennt sind.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (18, 118) in einem axialen Führungsbundring (20, 120) verschiebbar gelagert ist.
Prüfstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalg (19) ein scheibenförmiges bewegliches Element (18, 118) gegen die Reaktionskraft von Rückholfedern (21, 121) drückt.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse eine drehbare mit der Kupplung (112, 212) fest verbundene kleine Platte (117, 217) umfasst, deren eine Seite dem beweglichen Element (118, 218) und deren andere Seite einer feststehenden Bremsfläche (131, 231) zugewendet ist, wobei bei Betätigung der Bremse das bewegliche Element (118, 218) die kleine Platte (117, 217) gegen die feststehende Bremsfläche drückt.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (219) eine quer zur Bremsrichtung liegende Erstreckung hat, peripher abgestützt ist und ein zentral angeordnetes bewegliches Element (218) hat.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (19, 119, 219) für ihre Verformbarkeit eine konzentrisch zur Rotationsachse der Bremse verlaufende Welligkeit aufweist.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (19, 119, 219) aus Stahlblech besteht.