DE19507391C2

DE19507391C2 - Schraubvorrichtung zum ultraschallgesteuerten Anziehen von Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE19507391C2
Application number: DE19507391A
Authority: DE
Inventors: Michael Habele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2015-03-04
Also published as: DE19507391A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schraubvorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1. Es ist schon eine derartige Schraubvorrichtung bekannt (EP 460 920 A1), bei der eine Drehantriebswelle mit einem Schraubwerkzeug über Radialstifte sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung formschlüssig verbunden ist. Die Größe des übertragbaren Drehmoments wird durch die auf Scherung beanspruchten Stifte begrenzt. Darüber hinaus ist bei der bekannten Schraubvorrichtung ein einfacher Werkzeugwechsel nicht möglich.

Aus dem Katalog der Firma Belzer-Dowidat GmbH, Wuppertal, März 1991, Seiten 84, 85, 94, 95, 102, 103, 118, 119, 120, 121, dem US 4,627,761 und dem US 2,250,635 sind Schrauber bekannt, bei denen eine Drehantriebswelle mit einem Schraubwerkzeug über eine Mehrkantkupplung verbindbar ist. Die Mehrkantkupplung besteht aus einem Außenmehrkant und einem Innenmehrkant sowie einem Verbindungskörper, der mittels eines Sicherungselements axial sicherbar ist. Die in dem Katalog und dem US 2,250,655 beschriebenen Mehrkantkupplungen verwenden als Verbindungskörper eine Kugel, die im Außenmehrkant in einer Bohrung gelagert ist und in eine Vertiefung im Innenmehrkant formschlüssig eingreift. Eine solche Kugelarretierung hat den Nachteil, dass das Schraubwerkzeug nicht gegen axiales Abziehen von der Drehantriebswelle gesichert ist. Wird am Schraubwerkzeug axial gezogen, drückt die Verriegelungskugel gegen eine Feder radial nach außen und das Schraubwerkzeug kann schon bei einer relativ geringen Kraft von der Drehantriebsspindel abgezogen werden. Dies ist insbesondere beim Schrauben mittels automatischer Schraubspindeln nachteilig, da schon ein geringfügiges Verkanten von Schraube und Schraubwerkzeug zum Abziehen des Schraubwerkzeugs führen kann.

Gemäß dem US 4,627,761 sind stiftförmige Verbindungskörper vorgesehen, die in eine Bohrung eingreifen, welche den Innenmehrkant von einer Abflachung bis zu einer gegenüberliegenden Abflachung hin vollständig durchsetzt. Durch diese, den Innenmehrkant durchsetzende, quer verlaufende Bohrung wird die Verdrehfestigkeit des Drehantriebswelle geschwächt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schraubvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass zwischen Drehantriebswelle und Schraubwerkzeug ein höheres Drehmoment übertragbar ist und gleichzeitig ein einfacher Werkzeugwechsel ermöglicht wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schraubvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Schraubwerkzeuges mit einem Außensechskant in Form eines Imbus-Schlüssels, der vom Übertragungselement axial durchragt wird und gegenüber diesem mittels einer Isolierhülse elektrisch isoliert ist. Die Schraubvorrichtung ist somit auch bei Schrauben mit Innensechskant anwendbar.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen werkzeugseitigen Teil einer Schraubvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, die Fig. 2 und 2b einen Querschnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1, die Fig. 2a und 2c Ansichten verschiedener Sicherungselemente, Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Schraubvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und Fig. 4 einen Längsschnitt durch den werkzeugseitigen Teil einer Schraubvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 ein vorderer, werkzeugseitiger Teil einer Schraubvorrichtung bezeichnet. Die Schraubvorrichtung 10 ist mit einer Drehantriebswelle 11 versehen, welche mittels eines nicht näher dargestellten Antriebsmotors drehend antreibbar ist. Am in Fig. 1 dargestellten Ende der Drehantriebswelle 11 ist eine Werkzeugaufnahme 12 für ein Schraubwerkzeug 13 vorgesehen, das zum Anziehen einer Schraubverbindung dient. Von der Schraubverbindung ist lediglich eine Schraube 14 beispielhaft dargestellt. Die Schraubvorrichtung 10 kann jedoch ebenso an eine Mutter der Schraubverbindung angesetzt werden. Das Schraubwerkzeug 13 ist beispielsweise in Form einer Werkzeugnuß mit einer als Innensechskant ausgebildeten Aufnahmeöffnung 15 für einen sechskantigen Schraubenkopf 16 der Schraube 14 ausgebildet.

Am Schraubenkopf 16 befindet sich stirnseitig ein Schwingkörper 19, der mit der Schraube 14 schwingungsmäßig gekoppelt ist. Bei dem Schwingkörper 19 handelt es sich beispielsweise um einen Piezokristall, der bei entsprechender elektrischer Anregung hochfrequente akkustische Schwingungen erzeugt und in die Schraubverbindung leitet. Umgekehrt empfängt der Piezokristall Echoschwingungen aus der Schraubverbindung und wandelt diese in zugehörige Echosignale um. Durch Vergleichen von Erregersignalen und Echosignalen in einer schematisch dargestellten Auswerteeinrichtung 17 kann in bekannter Weise auf den Spannungszustand in der Schraubverbindung und damit auf das aktuelle Verschraubungsmoment geschlossen werden.

Die Schraubvorrichtung 10 ist mit Mitteln 20 zur Ansteuerung und Rückmeldung des Schwingkörpers 19 ausgestattet. Die Mittel 20 umfassen ein Übertragungselement 21, das sich überwiegend innerhalb der Drehantriebswelle 11 axial erstreckt. Das Übertragungselement 21 ist an seinem werkzeugseitigen Ende zweiteilig mit einem axial teleskopartig verschiebbaren, mit einer Feder 23 in Richtung auf die Schraube 14 belasteten Kontaktstift 22 ausgebildet. Das Übertragungselement 21 ist entsprechend hohlzylindrisch geformt, so daß der Kontaktstift 22 axial darin einfedern kann. An der freien Spitze des Übertragungselementes 21 bzw. dessen Kontaktstiftes 22 ist eine Kontaktfläche 24 vorgesehen, die zur Ansteuerung des am Schraubenkopf 16 angebrachten Schwingkörpers 19 dient und deshalb bei auf die Schraube 14 aufgesetztem Schraubwerkzeug 13 an diesem zur Anlage kommt.

Der Stromkreis zum Schwingkörper 19 wird über einen Masseleiter 25 geschlossen. Der Masseanschluß durch den Masseleiter 25 erfolgt über den Schraubenkopf 16, an dessen Oberfläche sich der Schwingkörper 19 befindet. Der Masseleiter 25 ist etwa hülsenförmig ausgebildet und umgibt den Kontaktstift 22 sowie das Übertragungselement 21 im vorderen Teil der Schraubvorrichtung 10. Dabei sind das Übertragungselement 21 und der Masseleiter 25 durch einen Isolator 26 bzw. im Bereich des Kontaktstiftes 22 durch räumlichen Abstand voneinander elektrisch isoliert.

Der Masseleiter 25 ist in der Drehantriebswelle 11 axial geführt und kann sich wie der Kontaktstift 22 axial federnd verschieben. Hierzu wird er von einem Federelement 27 axial nach vorn beaufschlagt. Beim Ansetzen des Schraubwerkzeugs 13 an die Schraube 14 kontaktiert die freie Stirnseite 28 des Masseleiters 25 den elektrisch leitenden Schraubenkopf 16 mit radialem Abstand zum Schwingkörper 19.

Die Schraubwerkzeugaufnahme 12 ist als Außenmehrkant 31 ausgebildet und am Schraubwerkzeug 13 ist ein korrespondierender Innenmehrkant 32 vorgesehen, die im Beispielsfall vierkantig ausgebildet sind. Selbstverständlich kann der Außenmehrkant 31 auch umgekehrt am Schraubwerkzeug 13 und der Innenmehrkant an der Schraubwerkzeugaufnahme 12 ausgebildet sein. Zusammen bilden der Außenmehrkant 31 und der Innenmehrkant 32 eine Mehrkantkupplung zur Übertragung eines Drehmomentes von der Drehantriebswelle 11 auf die Schraubverbindung.

Etwa mittig in der Schraubwerkzeugaufnahme 12 befindet sich eine Ringnut 33. In die Ringnut 33 greifen zwei Verbindungskörper 34 radial ein. Die Verbindungskörper 34 sind jeweils in einander gegenüberliegenden Bohrungen 35 angeordnet, die die Wandung des Schraubwerkzeugs 13 radial durchqueren. Es können auch weniger oder mehr Bohrungen 35 mit zugehörigen Verbindungskörpern 34 vorgesehen sein, mindestens jedoch eine Bohrung 35, in der ein Verbindungskörper 34 einsetzbar ist.

Die Verbindungskörper 34 sind stiftförmig ausgebildet und an ihrem in die Ringnut 33 eingreifenden Ende 36 abgerundet. Dabei sollten möglichst Normstifte verwendet werden. Bei Eingriff der Verbindungskörper 34 in die Ringnut 33 wird das Schraubwerkzeug 13 axial auf der Schraubwerkzeugaufnahme 12 formschlüssig festgelegt. Radial außen werden die Verbindungskörper 34 von einem Sicherungselement 37 überdeckt und in ihrer Verbindungsstellung gehalten. Das Sicherungselement 37 ist dabei ringförmig, z. B. als elastischer O-Ring ausgebildet. Die stiftförmigen Verbindungskörper 34 haben innerhalb der Bohrungen 35 Spiel, so daß sie nach Entfernen des Sicherungselements 37 radial nach außen herausgleiten können, wobei sie außer Eingriff mit der Ringnut 33 gelangen, so daß das Schraubwerkzeug 13 von der Drehantriebswelle 11 abnehmbar ist. Am Außenumfang des Schraubwerkzeugs 13 ist im Bereich der Bohrungen 35 eine umlaufende Nut 38 vorgesehen, in der das Sicherungselement 37 angeordnet ist.

In Fig. 2 sind die zur erfindungsgemäßen Verbindung von Drehantriebswelle 11 und Schraubwerkzeug 13 verwendeten Teile im Querschnitt erkennbar. Die Ringnut 33 in der Werkzeugaufnahme 12 erstreckt sich lediglich jeweils im Bereich von Kanten 40 des Außenmehrkants 31, so daß der Querschnitt der Drehantriebswelle 11 und damit das polare Widerstandsmoment nur unwesentlich geschwächt wird. Die Kanten 40 tragen bei Torsionsbeanspruchung ohnehin nicht wesentlich zur Festigkeitssteigerung bei. Die Bohrungen 35 im Schraubwerkzeug 13 sind entsprechend im Bereich der Kanten 40 des Mehrkantprofils 30 angeordnet, so daß die Verbindungskörper 34 in die Ringnut 33 eingreifen können. Durch das Sicherungselement 37 werden sie dabei radial nach außen unverschiebbar in der in Fig. 2 gezeigten Verbindungsstellung gehalten.

Das Sicherungselement 37 kann gemäß der in Fig. 2a in gegenüber der Fig. 2 verkleinertem Maßstab gezeigten Ausführungsform durch einen teilkreisförmigen Bügel 37a gebildet werden, der beispielsweise aus Federstahl hergestellt ist und der die beiden Verbindungskörper 34 an ihren jeweils radial außen liegenden Enden verbindet. Gleiche und gleichwirkende Teile sind, wie auch bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Bügel 37a kann zwecks Lagesicherung ebenso wie das ringförmige Sicherungselement 37 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in die umlaufende Nut 38 eingreifen. Es versteht sich von selbst, daß das Sicherungselement 37 zusammen mit den Verbindungskörpern 34 aus einem Stück Federdraht durch Umbiegen der Enden des Bügels 37a herstellbar ist.

Das Sicherungselement 37 kann auch gemäß Fig. 2c mit lediglich einem Verbindungskörper 34 ausgebildet sein. Der Bügel 37a ist teilkreisförmig gebogen mit einem dem Außenradius des Schraubwerkzeuges 13 angepaßten Biegeradius und erstreckt sich über mehr als einen Viertelkreisbogen. Auf diese Weise ist der Verbindungskörper 34 sehr einfach in der Bohrung 35 sicherbar, denn der Verbindungskörper 34 braucht lediglich in die Bohrung 35 eingesteckt zu werden, wobei sich der Bügel 37a, der vorzugsweise aus Federdraht besteht, federnd aufspreizt und am Außenumfang des Schraubwerkzeugs 13 unter Vorspannung anliegt.

Gemäß Fig. 2b können auch zwei derartige Sicherungselemente 37 mit Verbindungskörper 34 versetzt zueinander angeordnet werden. Der Bügel 37a sollte sich dann vorteilhafterweise über weniger als einen Halbkreisbogen erstrecken. Eine umlaufende Nut 38 ist nicht unbedingt erforderlich. Ein derartiger Sicherungskörper 37 mit Verbindungskörper 34 kann zur Halterung beliebiger Schraubwerkzeuge vorteilhaft verwendet werden.

Um auch bei nicht vollständig auf den Schraubenkopf 16 aufgesetztem Schraubwerkzeug 13 den Schwingkörper 19 ansteuern zu können, ist auf der der Schraube 14 zugewandten Stirnseite des Schraubwerkzeuges 13 (Fig. 1) eine axiale, kreisförmige Ausnehmung 30, die beispielsweise durch einen umlaufenden Einstich gebildet ist, angebracht, welche einen größeren Durchmesser hat als das Eckenmaß des Schraubenkopfes 16. Die Schraube 16 kann daher auch bei sich nicht deckenden Kanten von Aufnahmeöffnung 15 und Schraubenkopf 16 soweit in das Schraubwerkzeug 13 eintauchen, daß eine einwandfreie elektrische Kontaktierung gewährleistet ist. Dies ist gerade dann vorteilhaft, wenn kein zusätzlicher Masseleiter 25 vorhanden ist und der Masseanschluß über das Schraubwerkzeug 13 erfolgt bzw. wenn Masseleiter 25 und Kontaktstift 22 geschützt werden sollen und daher bei vom Schraubenkopf 16 abgenommenem Schraubwerkzeug 13 nicht über die Aufnahmeöffnung 15 axial hinausragen. In diesem Falle müssen dann zum vollständigen Aufsetzen des Schraubwerkzeuges 13 die Kanten durch Verdrehen mittels des Schraubantriebes in Deckung gebracht werden. Bei vollständig aufgesetztem Schraubwerkzeug 13 bewegt sich dann der Schraubenkopf 16 während des Schraubens innerhalb der Aufnahmeöffnung nach axial vorn, wobei der nachrückende Kontaktstift 22 und Masseleiter 25 für eine ununterbrochene Ansteuerung des Schwingkörpers 19 sorgen.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer formschlüssigen Verbindung von Drehantriebswelle 11 und Schraubwerkzeug 13 gezeigt. Auch hier wird die drehschlüssige Verbindung zwischen der Drehantriebswelle 11 und dem Schraubwerkzeug 13 mittels eines Vierkants erzeugt. Im Außenmehrkant 31, der ebenfalls an der Drehantriebswelle 11 ausgebildet ist, ist die Ringnut 33 im Bereich der Kanten 40 ausgenommen. In der Wandung des Schraubwerkzeugs 13 ist jedoch lediglich eine Bohrung 35 vorgesehen, die sehnenförmig in tangentialer Richtung zur Ringnut 33 verläuft und eine der vier Kanten 40 derart schneidet, daß ein in die Bohrung 35 eingesetzter Verbindungskörper 34 in die Ringnut 33 formschlüssig eingreift und das Schraubwerkzeug 13 auf der Werkzeugaufnahme 12 formschlüssig sichert. Der Verbindungskörper 34 ist ebenfalls stiftartig ausgebildet. Am Außenumfang des Schraubwerkzeugs 13 ist die Nut 38 ausgenommen, in der entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 ein in Fig. 3 nicht gezeigtes ringförmiges Sicherungselement angeordnet sein kann, das den Verbindungskörper 34 in seiner Verbindungsstellung hält.

Das vierte Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt den werkzeugseitigen Teil einer Schraubvorrichtung 10 der im wesentlichen wie beim ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Das Schraubwerkzeug 13 ist hier jedoch mit einem Außensechskant 45 in Form eines Imbus-Schlüssels versehen, der mit einem entsprechenden Innensechskant einer Schraube 14 drehschlüssig in Eingriff bringbar ist.

Das Übertragungselement 21 durchragt das Schraubwerkzeug 13 in axialer Richtung vollständig mit seinem Kontaktstift 22, der ebenfalls entgegen Federkraft zurückfedern kann. Der Schwingkörper 19 ist mittig im Grund des Innensechskants der Schraube 14 angeordnet. Kontaktstift 22 und Schraubwerkzeug 13 sind im Bereich des Außenmehrkants 45 durch eine Isolatorhülse 47 elektrisch isoliert.

Aus Platzgründen ist hier auf einen Masseanschluß gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verzichtet worden. Zwecks Masseleitung dienen statt dessen die elektrisch leitenden Teile Schraubenkopf 16, Schraubwerkzeug 13 und Drehantriebswelle 11.

Claims

1. Schraubvorrichtung zum ultraschallgesteuerten Anziehen von Schraubverbindungen, welche mit Mitteln (20) zur Signalübertragung zwischen einer Auswerteeinrichtung (17) und einem Schwingkörper (19) am Kopf (16) der Schraubverbindung versehen ist und eine Drehantriebswelle (11) aufweist, innerhalb der wenigstens ein sich axial erstreckendes elektrisches Übertragungselement (21, 25) zur Übertragung der Signale angeordnet ist, wobei die Drehantriebswelle (11) mit einem Schraubwerkzeug (13) verbindbar ist, das eine korrespondierende, axial durchgehende Aufnahmeöffnung (15) für das wenigstens eine Übertragungselement (21, 25) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehantriebswelle (11) und das Schraubwerkzeug (13) über eine Mehrkantkupplung (31, 32) mit Außenmehrkant (31) und korrespondierendem Innenmehrkant (32) drehschlüssig verbindbar sind, dass im Bereich des Außenmehrkants (31) radial außen eine zumindest teilweise umlaufende Ringnut (33) ausgenommen ist, dass im Bereich des Innenmehrkants (32) wenigstens eine Bohrung (35) vorgesehen ist, die die Wandung des Innenmehrkants (32) durchquert, dass jeweils ein stiftförmiger Verbindungskörper (34) in die wenigstens eine Bohrung (35) einsetzbar ist, wobei der stiftförmige Verbindungskörper (34) im Bereich einer Kante (40) in die Nut (33) im Außenmehrkant (31) der Drehantriebswelle (11) formschlüssig eingreift, und dass der stiftförmige Verbindungskörper (34) in der Bohrung (35) mittels eines Sicherungselements (37) axial sicherbar ist.

2. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkantkupplung (31, 32) vierkantig ausgebildet ist, wobei sich der Außenmehrkant (31) an der Drehantriebswelle (11) und der Innenmehrkant (32) am Schraubwerkzeug (13) befindet.

3. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Bohrung (35) derart sehnenförmig in tangentialer Richtung zur Ringnut (33) im Schraubwerkzeug (13) verläuft, daß sie den Innenmehrkant (32) im Bereich einer Kante (40) des Schraubwerkzeugs (13) schneidet.

4. Schraubvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Verbindungskörper (34) stiftförmig ausgebildet ist.

5. Schraubvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungselement (37) zumindest teilweise ringförmig ausgebildet ist und außen am Umfang des Schraubwerkzeuges (13) anliegt.

6. Schraubvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungselement (37) durch einen Bügel (37a) aus federndem Material gebildet ist, der sich über mehr als einen Viertelkreisbogen erstreckt und an dessen einem Ende der Verbindungskörper (34) einstückig ausgebildet ist.

7. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) im Bereich der wenigstens einen Bohrung (35) eine zumindest teilweise umlaufende Nut (38) zur Aufnahme des Sicherungselementes (37) aufweist.

8. Schraubvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Sicherungselement (37) durch einen O-Ring gebildet wird.

9. Schraubvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Innenmehrkants (31) in dessen Wandung zwei Bohrungen (35) vorgesehen sind, in die jeweils ein stiftförmiger, bis in die Ringnut (33) reichender Verbindungskörper (34) hineingreifen kann, wobei die beiden Verbindungskörper (34) über ein bügelförmiges Sicherungselement (37) verbunden sind.

10. Schraubvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) an seinem der Drehantriebswelle (11) abgewandtem Ende mit einem Innensechskant in Form einer Nuß ausgebildet ist und stirnseitig mit einer axialen, umlaufenden Ausnehmung (30) versehen ist, die einen größeren Durchmesser als das Eckenmaß des Schraubenkopfes (16) hat.

11. Schraubvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) mit einem Außensechskant (45) in Form eines Imbus- Schlüssels versehen ist.