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Umlaufrädergetriebe mit erhöhter Anfahrkraft, insbesondere für Schraubwerkzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf ein Umlaufrädergetriebe mit erhöhter Anfahrkraft
an einer von zwei Abtriebswellen, insbesondere für elektromotorisch angetriebene
Schraubwerkzeuge.
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Für solche Werkzeuge können zwei Gruppen von Getrieben unterschieden
werden: Getriebe, die eine Vibration, also Impulse geringer Energie, aber hoher
Frequenz abgeben, und Getriebe, die einen Einzelimpuls von großer Energie abgeben.
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Bei vielen Anwendungen, z. B. bei Fernbetätigungen, Manipulatoren
usw. lassen sich Vibrationswerkzeuge nicht in befriedigender Weise benutzen, weil
Schwingungen unvorhersehbare Nebenwirkungen haben können, die eine Gefahr beinhalten.
Aber auch Werkzeuge, die einen einzelnen Drehkraftimpuls hoher Energie in einem
kurzen Zeitraum abgeben, können zu einer Gefahrenquelle werden: Ein Drehkraftimpuls
ist die Summe von Produkten Drehmoment mal Wirkungszeit. Bei Drehbewegungen ist
die Zeit eine inverse Funktion des Weges, längs dessen das Drehmoment wirkt; also
ist bei elastischen Verformungen die Zeit der Starrheit des Systems indirekt proportional.
Demgemäß müssen die Größen, Drehmoment und Zeitdauer angebbar sein, wenn ein angebbarer
Drehkraftimpuls erhalten werden soll. Wirken plötzliche Kräfte auf einen starren
Mechanismus ein, dann kann die zur Verfügung stehende Zeit zu kurz sein, um in dem
beaufschlagten Bauteil ein inneres Gleichgewicht zwischen dem Impuls einerseits
und der diesem entgegenwirkenden Reibungskraft andererseits zu erzielen. Dies kann
zu hohen inneren Spannungen in dem durch den Impuls beaufschlagten System und zu
entsprechenden Schäden führen. Die Bereitstellung eines kgnstanten, angebbaren Zeitraums
verlangt, daß die Drehsteifigkeit des zu beaufschlagenden Systems und seine Verbindung
mit dem Werkzeug der des letzteren entsprechen soll, um starke Änderungen des Drehkraftimpulses
bei kleinen Änderungen der Systemstelfigkeit zu vermeiden. Dieser Zusammenhang würde
nämlich entweder zu Schäden an dem System oder zu Mängeln hinsichtlich der Verwirklichung
des beabsichtigten Zwecks führen. Keines der genannten Erfordernisse wird durch
die üblichen, mit einem Drehkraftimpuls arbeitenden Werkzeuge erfüllt, die starr
im Vergleich zu dem beaufschlagten. System sind und also einen nicht angebbaren
Drehkraftimpuls verursachen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Umlaufrädergetriebe anzugeben, das
an einer seiner beiden Abtriebswellen kurzzeitig ein definiertes Drehmoment liefert,
das möglichst groß im Verhältnis zum Antriebsdrehmoment, multipliziert mit der Getriebeübersetzung,
ist. Mit einem solchen Getriebe kann beispielsweise ein Schlagschrauber ausgerüstet
werden, dessen Motor klein dimensioniert sein kann, wodurch eine gedrungene Bauform
ermöglicht wird (wichtig für fernbetätigte Werkzeuge). Dabei wird zugleich Nutzen
aus dem bekannt hohen Übersetzungsverhältnis eines Umlaufrädergetriebes gezogen.
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Das erfindungsgemäße Getriebe der eingangs genannten Art ist dadurch
gekennzeichnet, daß zum Anfahren der einen Abtriebswelle entgegen einem an ihr wirkenden
hohen Bewegungswiderstand an der anderen Abtriebswelle mindestens zwei -unterschiedlich
starke Sperren angreifen, von denen zuerst die schwächere und nach einem vorgegebenen
Drehwinkel die stärkere wirksam ist. Das erhöhte Drehmoment wird an der ersten Abtriebswelle
verfügbar, wenn an dieser ein Widerstand auftritt, der größer ist als der, welcher
an der anderen Welle durch die schwächere der beiden Sperren hervorgerufen wird.
Hat der Motor die schwache Sperre überwunden, dann läuft diese zweite Abtriebswelle
um, und die erste Abtriebswelle steht still. Der Motor kann auf seine Nenndrehzahl
hochlaufen und das Getriebe kinetisch aufladen, bis die zweite Abtriebswelle auf
die stärkere Sperre trifft und damit ein ruckartiges Drehmoment an der ersten Abtriebswelle
ausübt, das sich nach der Motorleistung und der kinetischen Getriebeenergie
bei
Nenndrehzahl sowie der gespeicherten elastischen Kraft des Getriebes und gegebenenfalls
der Grenzkraft der zweiten Sperre bestimmt.
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Nachfolgend' wird die Erfindung an Hand der F i g. 1 bis
7 näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Schemaskizze des erfindungsgemäßen
Getriebes, F i g. 2 bis 5 verschiedene Bewegungsphasen eines fernbetätigbaren
Schraubwerkzeuges im Schnittbild mit dem erfindungsgemäßen Getriebe, F i
g. 6 und 7 zwei Schemaskizzen von baulich abgewandelten Getrieben.
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Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Getriebes zeigt F i
g. 1.
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Die Kraftquelle 30 ist ein Motor M, dessen Welle an einem Arm
exzentrisch zur Drehachse ein Lager 33 trägt. In dem Lager 33 ist
eine drehelastische Planetenwelle 34 gelagert, mit der die Planetenräder
35 und 36 fest verbunden sind. Die beiden Planetenräder greifen mit
voneinander verschiedenen Übersetzungsverhältnissen in je ein Sonnenrad
38 bzw. 39
ein, von denen eines die eine Abtriebswelle 60, das
andere die andere Abtriebswelle 70 antreibt. An der letzteren sind zwei Sperren
angebracht, die aus einem Rastgesperre 19, einer federbelasteten Rastkugel,
und einem ortsfesten Anschlag 61 bestehen.
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Mit einem solchen Getriebe läßt sich ein definiertes Drehmoment erzeugen,
das größer als das vom Motor gelieferte ist. In der Ausgangsstellung sei das Sonnenrad
38 vom Rastgesperre 19 blockiert. Beginnt der Motor zu laufen, dann
rotiert die Planetenwelle 34 zusammen mit den beiden Planetenrädern 35 und
36 um die Sonnenräder, wobei trotz Stillstandes des Sonnenrades
38 das Sonnenrad 39 wegen der unterschiedlichen übersetzungsverhältnisse
der beiden Zahnradpaare 35/38 und 36/39 gedreht wird. Setzt beispielsweise
eine Schraube X mit der die Abtriebswelle 60 verbunden ist, der Drehung einen
größeren Reibungswiderstand entgegen, als das Rastgesperre zu halten vermag, dann
gibt das Rastgesperre nach und das Sonnenrad 38 dreht sich an Stelle des
Sonnenrads 39. Der Motor ist also praktisch unbelastet und kann auf seine
Leerlaufdrehzahl hochlaufen. Der Anschlag 61 ist so angeordnet, daß die Leerlaufdrehzahl
erreicht wird, ehe das Rad 38
vom Anschlag 61 blockiert wird.
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Im Augenblick der Blockierung ist das Drehmoment an der Schraube X
noch sehr gering. Es steigt jedoch linear mit der zunehmenden Verdrehung der elastischen
Planetenwelle 34 an und erreicht schließlich, wenn die Schraube nicht nachgibt,
einen Maximalwert, der durch die Leistungsdaten des Motors, die Massen des Motorläufers
und des bewegten Getriebes bis zum Anschlag und die in der elastischen Planetenwelle
gespeicherte Kraft eindeutig festgelegt ist. Danach sinkt das Drehmoment auf einen
geringeren, allein durch die Motorleistung gegebenen Wert ab.
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Da das maximale Drehmoment praktisch im Stillstand des Getriebes ausgeübt
wird, ist es unabhängig von Reibungsverlusten. Normalerweise wird der Maximalwert
gar nicht erreicht, da er so festgelegt ist, daß er das Lösemoment der Schraube
_X übertrifft; diese löst sich also schon vor Erreichen des Maximalwertes.
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Nun sei die Anwendung dieses erfindungsgemäßen Getriebes in einem
fernbetätigbaren Schraubwerkzeug näher beschrieben. F i g. 2 bis
5 zeigen ein Werkzeug, bei dem die Drehung eines Motors in einer Richtung
dazu führt, daß eine Schraube X zuerst durch eine Spannzange 16 erfaßt und
dann losgeschraubt wird, während die Drehung des Motors in der entgegengesetzten
Richtung dazu führt, daß die Schraube zuerst eingeschraubt und dann von der Spannzange
freigegeben wird.
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Das Werkzeug besitzt einen zylindrischen Mantel 1, der einen
Elektromotor umschließt dessen Stator 3 fest mit dem Mantel und dessen Anker
4 mit einem rohrförmigen Planetenträger 5 verbunden ist. An mehreren symmetrisch
um die Drehachse herum angeordneten Stellen trägt der Planetenträger, auf
je
einem Lagerstift 22 frei drehbar gelagert, je einen Torsionsstab
10, der an seinen Enden je ein Planetenrad B, C fest
verkeilt trägt.
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In der Querschnittsdarstellung nach F i g. 2 ist nur einer
der fünf Sätze von Planetenrädern B, C und Torsionsstäben
10 sichtbar.
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Die Planetenräder B und C stehen in ständigem Eingriff mit
Sonnenrädern A bzw. D. Das Sonnenrad A hat eine axial kerbverzahnte
Bohrung, deren Kerbverzahnung in die axiale Kerbverzahnung auf dem Umfang eines
inneren Torsionsrohres 12 eingreift, das durch die Bohrung des Sonnenrades
A
hindurchgeht. Im Innern hat das Torsionsrohr 12 bei 2 ein Gewinde.
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Das Sonnenrad D hat eine schraubenförmig kerbverzahnte Bohrung
13, in die eine komplementäre äußere Kerbverzahnung auf dem Umfang einer
Beschleunigungsmutter 14 eingreift. Die Bohrung der Beschleunigungsmutter 14 ist
durch eine axiale Kerbverzahnung mit einer rohrförmigen Verlängerung 7
eines
Ringes 15 verbunden. Das Sonnenrad D hat an jeder seiner axialen Endflächen
Anschlagflächen, die dazu gebracht werden können, drehend gegen Anschlagflächen
8, 9 der Beschleunigungsmutter 14 zu drücken. Wenn daher das Sonnenrad
D gedreht wird, wird es zusammen mit der Beschleunigungsmutter in axialer
Richtung nach rechts bewegt, oder, wenn das Rad D in der entgegengesetzten
Richtung gedreht wird und sich dabei dem Anschlag 9 nähert, kann die Beschleunigungsmutter
nach links verschoben werden.
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Der Ring 15 hat einen Teil 6 mit im Vergleich zur Ringverlängerung
7 größerem Außendurchmesser, an dem eine Kerbverzahnung angebracht ist; diese
greift in eine axiale Kerbverzahnung im Mantel 1 ein; weiter besitzt der
Ring einen rohrförmigen Teil 11, der gegen die Schraube gerichtet ist und
axial über eine innere Spannvorrichtung gleitet, wenn der Ring 15
durch die
Beschleunigungsmutter 14 axial verschoben wird.
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Die Spannvorrichtung besteht aus Greifbacken 16,
die federnd
an einem Spannerkopf 17 angebracht sind, der seinerseits auf einem Ende einer
Mittelwelle 18 sitzt. Der Spannerkopf 17 ist mit einigen Feder-Kugel-Arretierungen
19 versehen, die, wenn sich der Ring in der dargestellten Position befindet,
in den inneren Teil 11 des Ringes eingreifen, um einen elastischen Zwang
auszuüben, der eine axiale Bewegung zwischen dem Ring 15 und dem Spannerkopf
17 zu verhindern trachtet.
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Die den Greifbacken entgegengesetzte Seite des Spannerkopfes
17 ist am Rande zu einer Kupplungsfläche 20 ausgebildet, die einen Teil einer
Reibungskupplung bildet. Eine zur Kupplungsfläche 20 komplementäre Kupplungsfläche
befindet sich auf einer
angrenzenden Seite einer Kupplungsscheibe
21, die mit demjenigen Ende des Torsionsrohres 12 ein Stück bildet, das aus der
Ringverlängerung 7 herausragt.
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Die Kupplungsscheibe 21 ist in axialer Richtung auf die Fläche 20
zu und von dieser Fläche wegbewegbar, um die Kupplung zu betätigen, und die axiale
Bewegung der Scheibe 21 nach links oder nach rechts erfolgt durch einen Schraube-Mutter-Antrieb,
der zwischen einem mit Linksgewinde versehenen Teil der Mittelwelle 18 und
dem dazu komplementären Gewindeteil 2 des Torsionsrohres 12 angeordnet ist, wobei
dieser Antrieb erfolgt, wenn das Torsionsrohr 12 durch das Sonnenrad A angetrieben
wird.
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Ein Vergleich des Schemas gemäß Fig. 1 mit der Schraubvorrichtung,
die, wie noch dargestellt wird, neben dem Lösen des Schraubeinsatzes X noch andere
Funktionen ausführt, ergibt, daß die Sonnenräder A und D (F i
g. 2) im wesentlichen den Sonnenrädern 38 und 39 des Schemabildes
entsprechen. Der Winkel zwischen den beiden Sperren 19 und 61
(F i
g. 1.) wird in praxi (F i g. 2) durch die Beschleunigungsmutter 14
begrenzt. Er beträgt demnach ein Vielfaches einer Sonnenradumdrehung. Die Planetenwelle
34 (F i g. 1) ist in F i g. 2 durch eine Mehrzahl von gleichmäßig
um die Achse verteilten rohrfönnigen Torsionsstäben 10 funktionell ersetzt,
von denen jeder zwei Planetenräder (B und C) trägt. Das Lager 33 für
die Planetenwelle (F i g. 1) ist dementsprechend durch eine Mehrzahl von
Lagerstiften 22 ersetzt, auf die die Torsionsstäbe 10 frei drehbar aufgesetzt
sind und die selbst starr im Planetenträger 5
befestigt sind.
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Es wird jetzt die Anwendung des Werkzeuges beim Herausschrauben einer
Schraube X gezeigt, die in ein Bauteil S eingeschraubt ist. Man sieht, daß
die Schraube X zweckmäßigerweise so geformt ist, daß die Backen 16 über den
vorspringenden Teil der Schraube hinweggleiten und hinter einen geeigneten Absatz
fassen können, wobei die flachen Stellen des kraft größer als die von der
Kugelarretierung 19 ausgeübte, so daß die letztere ausgerückt und die Wirkung
der Sonnenräder A und D umgekehrt wird. Es wird nun Sonnenrad
A das Reaktionsglied, und das Planetenrad C treibt das Sonnenrad
D an. Das auf die Torsionsstäbe wirkende Drehmoment ist wieder klein, weil
die Stäbe um die Sonnenräder kreisen.
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Bei der Drehung des Sonnenrades D wird die Mutter 14 beschleunigt
und veranlaßt, sich nach links zu bewegen, weil sie mit dem Sonnenrad
D in Schraube-Mutter-Beziehung steht, wird aber gegen Drehung gesichert durch
Eingriff ihrer inneren, axialen Kerbverzahnung in den gegen Drehung feststehenden,
aber axial beweglichen Ring 15. Wenn die Beschleunigungsmutter sich nach
links bewegt (F i g. 3 bis 4), nimmt sie auch den Ring 15 mit, wobei
die Ringverlängerung 7 axial auf dem Torsionsrohr 12 gleitet, gegen Drehung
jedoch durch die Kerbverzahnung auf dem Umfang des Ringes 15
festgehalten
wird. Der Ring 15 gleitet über die Backenteile 16, drückt sie nach
innen und veranlaßt sie auf diese Weise, die Schraube X zu erfassen (F i
g. 4).
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Am Ende dieser Querbewegung läuft der Anschlag 9 der Beschleunigungsmutter
14 gegen das Sonnenrad D, und das Sonnenrad D wird plötzlich angehalten.
Nunmehr erfolgt der Antrieb über Läufer 4, Planetenträger 5, Planetenrad
B und Sonnenrad A (F i g. 4). Die Kerbverzahnung in der Bohrung
des Sonnenrades A greift in die Kerbverzahnung auf der Außenseite des Torsionsrohres
12 ein, das Torsionsrohr 12 wird angetrieben und treibt seinerseits über die Kupplung
20, 21 den Spannerkopf 17 an, so daß die Schraube X herausgeschraubt wird.
Die Gegenkraft wird vom Planetenrad C über das Sonnenrad D auf die
Anschlagflächen des letzteren übertragen und von dort auf die Anschlagfläche der
Beschleunigungsmutter 14 und deren Bohrung, durch deren Kerbverzahnung auf die Verlängerung
7 des Ringes 15 und un dort auf die Kerbverzahnunz an
Nun
wird das Sonnenrad D festgehalten, weil jetzt die Gegenkraft des Sonnenrades
D die Gegenkraft überschreitet, die die Schraube auf das Sonnenrad
A
ausübt.
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Das Reaktionsdrehmoment wird vom Sonnenrad D durch eine Kerbverzahnung
in der Bohrung der Beschleunigungsmutter 14 auf die Kerbverzahnungen auf dem Umfang
des Ringes 15 übertragen, die in den entsprechenden Verzahnungen auf der
Innenseite des Mantels 1 gegen Drehung arretiert wird. Das Antriebsdrehmoment
wird daher nun vom Planetenträger 5 über das Planetenrad B auf das Sonnenrad
A übertragen und dann durch Kerbverzahnung in der Bohrung des Sonnenrades
A auf eine Kerbverzahnung auf dem Umfang des Torsionsrohres 112. Das letztere
überträgt den Antrieb auf die im Eingriff stehenden Kupplungsflächen, dic den Spannerkopf
ün Uhrzeigersinn drehen. Dadurch wird die Schraube eingeschraubt, und wenn sie das
Ende ihres Gewindes erreicht, kommt der Spannerkopf plötzlich zum Stillstand, während
der Motor und Antrieb die Drehung in derselben Richtung fortsetzen. Das bringt die
Kupplungsflächen zum Auskuppeln (F i g. 2), weil das Torsionsrohr
12 auf dem Linksgewinde auf der Mittelwelle 18 losgeschraubt wird.
Dadurch bewegt sich die Kupplungsplatte 21 nach rechts und nimmt dabei den
Ring 15 mit, der dadurch die Backen 16 des Spannwerkzeuges freigibt
(F i g. 2).
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Es dürfte klar sein, daß die beschriebene Auswechseltechnik einen
Vorschub- und Rückziehmechanismus für das Spannwerkzeug erfordert und auch
- wenn das innerhalb eines abgeschlossenen Behältnisses durchgeführt werden
soll - eine Fernanzeigevorrichtung zum Anzeigen der axialen Position des
Spannerkopfes.
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Ein für diesen Zweck geeigneter Mechanismus müßte sich hinter dem
Motor befinden, wird aber, da nicht Gegenstand der Erfindung, hier nicht
be-
schrieben. Bei dem oben beschriebenen Beispiel sind die Torsionsstäbe
10 torsionselastisch mit den Planetenzahnrädern C, D verbunden,
und es können in diesem Falle die Stäbe Formänderungsenergie speichern, während
der Planetenträger beschleunigt werden kann.
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Abschließend soll noch gezeigt werden, daß das näher beschriebene
Werkzeug nicht das einzig mögliche Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Getriebes
ist. F i g. 6 zeigt beispielsweise ein Getriebe, in dem die Sonnenräder
38 und 39 als innenverzahnte Hohlräder ausgeführt sind, während der
Träger 34 der Planetenräder 35 und 36 als elastisches Torsionsrohr
ausgebildet ist, das auf der als Kardanwelle ausgebildeten Motorwelle in Lagern
33
gelagert ist. Anschlag, Abtrieb und Grenzkraftgesperre sind hier der Einfachheit
der Darstellung halber weggelassen. Eine weitere Möglichkeit zeigt F i
g. 7 in einem Schernabild. Dort sind nicht die Sonnenräder, sondem die Planetenräder
35 und 36 innenverzahnt. Dadurch wird der Planetenträger 34 zu einem
alles umhüllenden Rohr, dessen Torsionseigenschaften beispielsweise durch Schlitze
verbessert werden können. Im übrigen entspricht die Funktion genau der der F i
g. 1 und 6, was durch gleiche Bezugsreichen für Teile gleicher Funktion
dokumentiert wird.
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Die Erfindung ist schließlich auch nicht auf fernbetätigbare Manipulatoren
beschränkt, sondern allgemein als Drehmomentverstärker in Werkzeugen und Maschinen
vorteilhaft anwendbar.