DE10243762B4

DE10243762B4 - Prüfstand für Kraftschrauber mit einer Bremsvorrichtung zur Simulation des Gegenmoments

Info

Publication number: DE10243762B4
Application number: DE10243762A
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: US20030056605A1; ITMI20011990A0; DE10243761B4; DE10243761A1; US6718831B2; ITMI20011990A1; DE10243762A1

Abstract

Prüfstand für Kraftschrauber, bestehend aus einer Kupplung (12) zur Verbindung mit dem Kopf eines Kraftschraubers und verbunden mit einer gesteuerten Bremseinheit (14) und einer Sensoreinheit (15), die die zwischen der Kupplung und der Bremseinheit übertragenen mechanischen Größen erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinheit (14) eine Bremse mit Reibungsflächen aus Kohlenstoff (11) im Ölbad umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfstand für Kraftschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und bezieht sich auf die Ausbildung der Bremsvorrichtung zur Simulation des Gegenmoments.
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 deutschen Offenlegungsschrift DE 35 32 353 A1 erfolgt die Erzeugung des Bremsdrehmomentes hydraulisch mit einem drosselbaren, druckfesten Verdrängungssystem. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 296 15 771 U1 ist ein Prüfstand bekannt, bei dem die Bremseinheit als elektromotorische Bremse ausgebildet 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 eine Reibscheibe gedrückt, so dass eine Bremskraft erzeugt wird.
Den bekannten Systemen liegen Arten von Bremsen nach dem Stand der Technik bei normalen Bremsen zugrunde, die für das Anhalten sich drehender Wellen, wie in Fahrzeugen verwendet werden. Bei diesen Bremsen ist es allerdings wichtig, bei Betätigung der Bremse eine angemessene Gesamtbremskraft zu haben, wobei eventuelle kleine Bremskraftschwankungen um den Mittelwert während der Bremsung nicht von Belang sind. Bei diesen Bremsen bekannter Art wird praktisch nur darauf geachtet, dass die Bremskraftschwankungen um den Mittelwert nicht einen Wert erreichen, der für den Fahrzeugnutzer spürbare Vibrationen erzeugt. Die eventuellen Unterschiede des Reibbeiwertes werden außerdem leicht durch einen vom Nutzer aufgebrachten höheren Druck auf die Bremse kompensiert.
Man hat jedoch festgestellt, dass Systeme bekannter Art kleine Schwingungen oder Rattern der verwendeten Bremsen erzeugen, die zu einem guten Teil auf die Unterschiede zwischen Ruhe- und Bewegungsreibung zurückzuführen sind und Wirkungen erzeugen, die absolut nicht spürbar und ohne Auswirkung bei einem Bremssystem sind, dessen Zweck es ist, einfach eine sich drehende Welle anzuhalten, die aber absolut schädlich bei einem Messsystem, wie dem der Prüfstände für Kraftschrauber, sind, weil sie Fehler in die Messung der Leistungen der geprüften Kraftschrauber, insbesondere kurz vor dem Anhalten, einleiten.
Allgemeines Ziel der Erfindung ist es, den oben erwähnten Nachteilen zu begegnen, indem ein Prüfstand für Kraftschrauber geschaffen wird, der ausgestattet ist mit einer Reibungsbremse, die frei ist von jenen Schwingungs- und Ratterproblemen, durch die die Messung ungenau wird.
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, wird nachfolgend an Hand der beigefügten Zeichnungen eine mögliche Ausführungsform der Erfindung beschrieben, in denen der Erfindungsgedanke zur Anwendung kommt. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers und
2 Kurvenbilder der temperaturabhängigen Änderungen des Reibbeiwertes bzw. Reibungskoeffizienten.
Bezugnehmend auf die Figuren zeigt 1 schematisch einen allgemein mit 10 bezeichneten Prüfstand. Aus dem Prüfstand kragt eine bekannte Kupplung 12 aus, die geeignet ist, sich 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 seine Übereinstimmung 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 eine Bremse mit Reibungsflächen 11, die aus Kohlenstoff hergestellt und in einem Ölbad 21 gehalten werden.
Der dargestellte Aufbau sieht vorteilhafterweise mindestens eine vom Kraftschrauber in Drehbewegung versetzte kleine Platte 17 vor, die von mindestens einer Reibscheibe 18 gebremst wird, auf der die Reibungsflächen aus Kohlestoff abgestützt sind. Für den Schub der Scheibe gegen die kleine Platte umfasst die Bremseinheit ein vorteilhafterweise hydraulisches Stellglied 19, das von der Vorrichtung 16 angesteuert wird. Um eine Axialbewegung zu ermöglichen ist die Bremsscheibe 18 am Gestell durch einen Bundring 20 für die axiale Führung und die Verhinderung der Drehbewegung abgestützt.
Es muss unterstrichen werden, dass die Verwendung von Oberflächen aus Kohlenstoff bei einer Bremse im Ölbad absolut atypisch auf dem Gebiet der Bremssysteme ist und im Widerspruch zu den Lehren des Fachmannes auf diesem Gebiet steht. Auf dem Gebiet der Kraftschrauber hat sich diese Lösung jedoch als überraschenderweise extrem vorteilhaft herausgestellt.
In 2a ist schematisch das generelle Verhalten bei Veränderung der Temperatur einer normalen Reibungsfläche (zum Beispiel Bremsbelag) dargestellt, wie sie auch in den herkömmlichen Bremsen im Ölbad eingesetzt wird. Dem Kurvenbild ist zu entnehmen, dass der Reibbeiwert bzw. Reibungskoeffizient sich bis zum Erreichen einer Temperatur t_max um einen hohen Wert μ₁ hält und danach schnell abfällt. Aus diesem Grund müssen Bremsen mit herkömmlichen Reibungsflächen nicht aus Kohlenstoff angemessen gekühlt werden, um zu vermeiden, dass sie die maximale Betriebstemperatur übersteigen, jenseits derer die Reibungsflächen unwirksam werden. Aus diesem Grund wurden beispielsweise Bremsen im Ölbad vorgeschlagen, bei denen das Öl als Kühlflüssigkeit wirkt. Auch bei Betriebstemperatur leiden jedenfalls die Bremsen mit herkömmlichen Reibungsflächen während der Bremsung unter Mikroschwingungen, die für den Einsatz auf einem Prüfstand für Kraftschrauber störend sind.
In 2b ist schematisch der generelle Verlauf des ersten Teilstücks der Kurve „Reibbeiwert – Temperatur” für Reibungsflächen aus Kohlenstoff dargestellt. Wie ersichtlich ist der Reibbeiwert solange ziemlich niedrig, bis die Bremse eine verhältnismäßig hohe Temperatur (im allgemeinen über 300°C) erreicht, worauf er schnell anzusteigen beginnt bis er beachtliche Reibbeiwerte erreicht. Aus diesem Grund wird bei den normalen Kohlenstoffbremsen das erste Teilstück der Kurve nie verwendet. Im Gegensatz zu den Bremsen mit herkömmlicheren Reibungsflächen sind Kohlenstoffbremsen Bremsen, die nur funktionieren, wenn ihre Temperatur hoch ist. Aus diesem Grund sind sie keine Bremsen der gekühlten Art und die Betriebstemperatur (die immer über einem Wert t_min liegen muss, um einen annehmbaren Reibbeiwert μ₂ zu haben) kann sogar in der Größenordnung von annähernd Eintausend Grad Celsius liegen. Aus diesem Grund ist es für den Bremsenfachmann ein absoluter nicht akzeptabler Widerspruch, Flächen aus Kohlenstoff bei einer Ölbadbremse zu verwenden.
Der Anmelder hat aber herausgefunden, dass im Anfangsteil der Kurve, unterhalb der Temperatur t_min, der Reibbeiwert niedrig ist, aber keine spürbaren Anzeichen von Rattern oder Schwingungen auftreten, die die Messungen an einem Prüfstand für Kraftschrauber stören können, wie sie dagegen Bremsen mit Reibungsflächen mit einem wie in 2a dargestellten Verhalten haben. Der Reibbeiwert unterhalb der Temperatur t_min ist zwar für die Verwendung in herkömmlichen Hochleistungsbremsen nicht ausreichend, aber für die Erfordernisse des Bremsens auf Prüfständen für Kraftschrauber angemessen, wenn die Reibungsflächen in geeigneter Weise dimensioniert werden. Auf diesem Anfangsteil der Kurve ist der Reibbeiwert außerdem bei Temperaturveränderungen angemessen konstant, und vor allem ist er im Wesentlichen frei von Unterschieden zwischen Bewegungsreibung und Ruhereibung, so dass keine sogenannten „slip-stick effects” auftreten und deshalb Schwingungen vermieden werden.
Bei der erfindungsgemäßen Bremse sind die Reibungsflächen deshalb aus Kohlenstoff und im Ölbad ausgeführt, so dass die Temperatur unter einer vorgegebenen Schwelle gehalten wird, jenseits derer die Kurve die relative Stetigkeit des Reibbeiwerts verlässt.
Insbesondere hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Reibungsflächen aus Kohlenstoff auf einer Temperatur unterhalb von 250°C zu halten, insbesondere unter 150°C. Vorteilhafterweise kann der optimale Betriebsbereich zwischen 20 und 100°C sein.
Außerdem hat sich ebenfalls als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Reibungsflächen aus Kohlenstoff gegen Flächen aus Stahl bremsen. Die Scheibe 17 wird deshalb vorteilhafterweise aus Stahl gefertigt.
Selbst wenn man die Kohlenstoffbremse bei einer Temperatur verwendet, dei der der Reibbeiwert verhältnismäßig niedrig ist, ist zu berücksichtigen, dass bei Verwendung von Kohlenstoff die zulässigen spezifischen Drücke sehr viel höher sind als bei anderen Reibungswerkstoffen. Es ist demnach möglich, in jedem Fall einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad der Bremse zu erzielen. Außerdem erlaubt der höhere Wirkungsgrad der Kohlenstoffbremse eine Verringerung der Durchmesser mit daraus folgender Verringerung des Trägheitsmoments und daraus folgender Erhöhung der Resonanzfrequenz.
Damit ist klar, wie die angestrebten Ziele erreicht werden, indem ein Prüfstand für Kraftschrauber geschaffen wird, der eine hohe maßliche Genauigkeit und Wiederholbarkeit liefert.
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 Schutzumfangs des Gegenstands 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. Außerdem kann die Bremse auch mit mehreren Scheiben und Bremsflächen und/oder auch Bremsflächen auf beiden Seiten der Scheibe versehen werden.

Claims

Prüfstand für Kraftschrauber, bestehend aus einer Kupplung (12) zur Verbindung mit dem Kopf eines Kraftschraubers und verbunden mit einer gesteuerten Bremseinheit (14) und einer Sensoreinheit (15), die die zwischen der Kupplung und der Bremseinheit übertragenen mechanischen Größen erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinheit (14) eine Bremse mit Reibungsflächen aus Kohlenstoff (11) im Ölbad umfasst.
Prüfstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsflächen aus Kohlenstoff (11) gegen Flächen aus Stahl (17) bremsen.
Prüfstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsflächen aus Kohlenstoff auf einer Temperatur unter 250°C, insbesondere unter 150°C gehalten werden.
Prüfstand gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse mindestens eine kleine Platte (11) umfasst, die mit der Kupplung (12) verbunden ist, und mindestens eine Bremsscheibe (18), die die Reibungsflächen aus Kohlenstoff abstützt und die gesteuert durch ein Stellglied (19) gegen die kleine Platte gedrückt wird
Prüfstand gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (18) in einem axialen Führungsbundring (20) verschiebbar ist.