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Die
Erfindung betrifft eine Kupplung zur Drehmomentbegrenzung. Die Erfindung
betrifft weiterhin ein motorisch angetriebenes Drehwerkzeug.
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Kupplungen
zur Drehmomentbegrenzung haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
Insbesondere werden sie bei motorisch angetriebenen Drehwerkzeugen
eingesetzt, insbesondere bei sogenannten Schraubern, um eine Schraube
mit einem definierten Drehmoment anzuziehen. Derartige Schraubwerkzeuge
werden über
einen Antriebsmotor, beispielsweise ein Druckluft-, ein Hydraulik-
oder ein Elektromotor angetrieben. Schraubwerkzeuge können sowohl
als manuell bedienbare Handschrauber ausgebildet sein oder auch
als Teile oder Komponenten von Bearbeitungsautomaten oder Robotern.
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Derartige
Schraubwerkzeuge sind beispielsweise aus der Deutschen Auslegeschrift
23 25 235 oder aus dem Deutschen Gebrauchsmuster
G 91 11 449.7 zu entnehmen.
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Als
Abschaltkupplungen sind mechanische Abschaltkupplungen bekannt,
bei denen allerdings die Einstellung des gewünschten Drehmomentgrenzwerts
sozusagen blind erfolgt und erst nach der mechanischen Einstellung
auf einem gesonderten Prüfplatz
festgestellt werden muss. Die Flexibilität dieser Werkzeuge ist somit
erheblich eingeschränkt.
Im Gegensatz dazu kann an einem elektrischen Schrauber mit Antriebssteuerung
der Drehmomentgrenzwert flexibel an der Steuerung eingegeben werden.
Nachteil ist jedoch, dass die gesamte Antriebssteuerung sehr aufwändig und
damit teuer ist. Gleichzeitig ist ein Volumen beansprucht, das im
Gehäuse
des Schraubers nicht untergebracht werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Kupplung
in kompakter Bauweise anzugeben, die insbesondere für den Einsatz
in einem Drehwerkzeug geeignet ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Kupplung zur Drehmomentbegrenzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
Erläuterung
der Erfindung erfolgt anhand eines Schraubers als Beispiel für ein Drehwerkzeug, das
eine erfindungsgemäße Kupplung
aufweist. Die Anwendungsfälle
der Kupplung beschränken
sich jedoch nicht auf dieses eine Drehwerkzeug, die Kupplung kann
z.B. in einem Bohrwerkzeug oder als Sicherheitskupplung bei einem
Motor eingesetzt werden.
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Im
Betrieb des Schraubers steigt das Drehmoment beim Anziehen einer
Schraube an. Das Drehmoment erzeugt ein Reaktionsmoment, welches auf
die Antriebsmechanik des Schraubers wirkt. Durch einen geeigneten
Aufbau der Mechanik des Schraubers wird das Reaktionsmoment in eine
Axialkraft umgesetzt, die auf das zweite Kupplungsteil ausgeübt wird.
Diese Axialkraft versucht es aus seiner Grundstellung herauszubringen
und somit die Drehmomentübertragung
zu unterbrechen. Um im Betrieb dieser Kraft definiert entgegenzuwirken,
ist eine neuartige magnetische Abschaltkupplung vorgesehen. Durch
den Elektromagnet wird eine magnetische Haltekraft erzeugt, die
der Axialkraft entgegenwirkt. Diese Haltekraft hält den Anker in der Grundstellung
fest, solange ein Drehmomentgrenzwert nicht überschritten wird.
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Der
Elektromagnet besteht aus einem Stator mit einer Spule, so dass
sich beim Stromdurchfluß durch
die Spule ein magnetisches Feld bildet. Dieses Feld ruft die Haltekraft
hervor, die den Anker in der Grundstellung festhält. Der Anker ist mechanisch
mit dem zweiten Kupplungsteil verbunden, so dass das zweite Kupplungsteil
ebenfalls über
die Haltekraft festgehalten wird. Somit ist die Grundstellung des Ankers über die
Grundstellung des zweiten Kupplungsteil bestimmt.
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Die
Haltekraft mit der der Elektromagnet der Axialkraft entgegenwirkt,
ist u.a. durch den Spulenstrom definiert. Sobald die Axialkraft
die magnetische Haltekraft übersteigt,
wird der Anker vom Stator des Elektromagnets abgehoben. Dadurch
gelangen die Kupplungsteile außer
Eingriff, was zu einem Leerlauf des Schraubers führt und die Schraube wird nicht weiter
eingedreht.
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Ein
besonderem Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass
durch die Verwendung der magnetischen Haltekraft ein einfacher und
kompakter Aufbau ermöglicht
ist. Über
den Magneten ist zudem ohne aufwändige
Steuerelektronik die Haltekraft und damit ein Drehmomentgrenzwert
wiederholbar mit hoher Reproduzierbarkeit über den Spulenstrom einstellbar.
Es ist keinerlei Sensorik zur Erfassung von Messgrößen oder
eine aufwändige
Steuerung erforderlich und auch nicht vorgesehen, was letztendlich
auch den einfachen und kostengünstigen Aufbau
ermöglicht.
Es sind zudem – nach
einer werkseitigen Ersteinstellung – nachfolgend keine Eichungen
oder Justierungen mehr erforderlich. Auch im Hinblick auf die Funktion
ist mit dem magnetischen Kupplungs- und Halteprinzip der besondere Vorteil
verbunden, dass bei Überschreiten
der Haltekraft und des hierdurch bedingten Verschiebens des Ankers
die magnetische Haltekraft nachlässt,
so dass die Kupplung bei Überschreiten
des zugeordneten Drehmomentgrenzwerts nahezu schlagartig oder digital
gelöst
wird. Neben dem schnellen Ansprechverhalten werden die beiden Kupplungsteile
dadurch auch nur wenig mechanisch belastet und die beiden Kupplungsteile
können
entsprechend kompakt aufgebaut sein.
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Für die Umwandlung
des Reaktionsmoments in die Axialkraft sind die Kupplungsteile bevorzugt
klauenartig miteinander verbunden und greifen mit Gegenwirkungsflächen ineinander,
wobei die Gegenwirkungsfläche
zumindest eines der Kupplungsteile schräg zu einer Rotationsrichtung
orientiert ist. Durch die schräge
Orientierung der Gegenwirkungsflächen
wird die zunächst
in Dreh- oder Rotationsrichtung wirkende Kraft zerlegt, so dass
eine Kraftkomponente in Axialrichtung resultiert, die die Axialkraft
bildet. Wegen der geringen mechanischen Belastung weisen die ineinandergreifenden
Klauen hierbei bevorzugt nur eine geringe Tiefe von wenigen Millimetern
auf.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Elektromagnet derart ausgebildet,
dass bei einer Axialverschiebung des Ankers aus der Grundstellung heraus
sich die magnetische Haltekraft verringert und insbesondere zusammenbricht.
Zweckdienlicherweise bricht die Haltekraft bereits bei einer Axialverschiebung
des Ankers im Bereich < 1
mm zusammen. Die Kupplung spricht daher bereits bei kürzesten
Verschiebungen zuverlässig
an.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Anker im Querschnitt
T-förmig und durch
einen zentralen Durchgang durch den Elektromagneten durchgeführt. Die
Art der Führung
des Ankers durch den Elektromagneten gewährleisten eine symmetrische
Verteilung der Haltekraft im Anker, die für die Konstruktion der Abschaltkupplung
besonders günstig
ist. Darüber
hinaus kann der Anker dank seiner Form großflächig auf dem Stator aufliegen,
wodurch eine ausgeprägte
Wirkung der Haltekraft erzielt ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung schließt der Anker zu einer Magnetspule
in der Grundstellung einen Luftspalt ein. Hierdurch wird insbesondere
ein leichtes Abheben des Ankers von der Spule ermöglicht,
wenn die Axialkraft die magnetische Haltekraft überschreitet, ohne dass ein
großer Widerstand
des Magnetfelds überwunden
werden muss. Dadurch wird eine besonders schnelle Abnahme und Unterbrechung
der magnetische Haltekraft erzielt, so dass die formschlüssige Verbindung
der Kupplungsteile gelöst
wird, wenn der Drehmomentgrenzwert überschritten wird.
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Bevorzugt
ist die Haltekraft über
einen Spulenstrom des Elektromagneten einstellbar. Die Einstellung
der magnetischen Haltekraft und somit des Drehmomentgrenzwerts ziehen
nach sich ein breites Spektrums an Einstellmöglichkeiten für den Schrauber.
In Abhängigkeit
von den Drehmomentanforderungen können unterschiedliche Drehmomentgrenzwerte
in einfacher Weise vorgegeben werden.
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Weiter
bevorzugt ist ein Einstellelement vorgesehen, über das der Spulenstrom einstellbar
ist. Das Einstellelement ist beispielweise als eine digitale oder
alternativ als eine elektromechanische Eingabevorrichtung, wie ein
Tast- oder Drehschalter, ausgebildet. Hierbei kann eine Bedienperson
ohne aufwändige
Steuerung den gewünschte
Grenzwert äußerst flexibel
und einfach einstellen.
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Um
die Bedienung des Schraubers zu erleichtern, weist das Einstellelement
vorteilhafterweise eine Anzeige auf, insbesondere eine digitale
Anzeige, die den eingestellten Drehmomentgrenzwert anzeigt. Somit
kann jederzeit ganz einfach überprüft werden,
ob die richtigen Einstellungen vorgenommen sind.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist ein beschreibbarer RFID-Chip
vorgesehen, auf dem der jeweils eingestellte Drehmomentgrenzwert
auslesbar hinterlegt ist. Der RFID-Chip kann als Ergänzung zum
Einstellelement und/oder zur Anzeige vorgesehen sein. Insbesondere
bei industriellen Anlagen mit einem hohen Automatisierungsgrad ist
dies für
eine automatische Prozessüberwachung
von besonderem Vorteil. Die Einstellungen werden hierbei aus dem
RFID-Chip mit Hilfe eines RFID-Lesegeräts ausgelesen und an eine Auswerteeinheit übertragen und/oder
von der Prozessüberwachung überwacht und
ausgewertet.
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Vorzugsweise
ist ein Schaltelement vorgesehen, das bei einer Axialverschiebung
des zweiten Kupplungsteils ein Stoppsignal an eine zugeordnete Antriebseinheit
abgibt. Das Schaltelement ist insbesondere derart ausgebildet, dass
es direkt vom zweiten Kupplungsteil oder vom Anker betätigt wird.
Das Schaltelement ist beispielsweise ein Taster oder auch ein berührungsloser
Näherungsschalter.
Die Antriebseinheit, die z.B. ein Elektromotor, eine hydraulische
Antriebseinheit oder eine Druckluftantriebseinheit ist, stoppt nach
Empfangen des Stoppsignals unverzüglich. Somit wird beim Überschreiten des
Drehmomentgrenzwerts der Antrieb unmittelbar abgeschaltet.
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Nach
einer bevorzugten Variante ist das erste Kupplungsteil ein feststehendes,
nicht rotierbares Kupplungsteil. Durch die fixierte Stellung des
ersten Kupplungsteils, insbesondere in Kombination mit dem klauenartigen
Eingriff der beiden Kupplungsteile ineinander, wird das Reaktionsmoment
günstigerweise
in eine Axialkraft übersetzt.
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Zweckdienlicherweise
ist das zweite Kupplungsteil ein Teilelement eines Getriebes, das
bei voneinander getrennten Kupplungsteilen rotierbar ist. Somit
wird die Drehung einer Antriebswelle der Antriebseinheit bei getrennter
Kupplung in eine Rotation des zweiten Kupplungsteils umgesetzt,
wodurch der Leerlauf des Schraubers bei einer Überschreitung des Drehmomentgrenzwerts
erreicht ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist
das zweite Kupplungsteil ein Hohlrad eines Planetengetriebes. Ein
Planetengetriebe besteht in der Regel aus einem zentralen Antriebsrad – das Sonnenrad,
weiteren Zahnrädern – die Planetenräder und
einem äußeren Zahnradring – das Hohlrad.
Im Betrieb des Schraubers wird sein Drehmoment über eine Abtriebswelle auf
die einzudrehende Schraube übertragen,
wobei die Planetenräder
sich auf dem feststehenden Hohlrad abwälzen. Nach der Trennung der beiden
Kupplungsteile findet der Abtrieb über das rotierende Hohlrad
statt, die Abtriebswelle bleibt stehen und das Drehmoment wird nicht
weiter auf die Schraube übertragen.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein motorisch angetriebenes
Drehwerkzeug, insbesondere ein Schrauber, mit einer solchen Kupplung.
Die im Hinblick auf die Kupplung aufgeführten Vorteile und bevorzugten
Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das
Drehwerkzeug zu übertragen.
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Bevorzugt
ist das motorisch angetriebene Drehwerkzeug derart ausgebildet,
dass eine Antriebswelle eines Antriebsmotors über ein Getriebe mit einer
Abtriebswelle verbunden ist, die durch den Elektromagneten und durch
den Anker geführt
ist. Dieses Drehwerkzeug zeichnet sich durch seine kompakte Bauform
aus.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 in
einem Längsschnitt
einen Schrauber,
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2 in
einem Längsschnitt
einen Elektromagneten mit einem Anker,
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3a und 3b in
einer Seitenansicht die Verbindung zwischen zwei Kupplungsteilen,
und
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3c und 3d in
einer Vorderansicht die Kupplungsteile gemäß 3a und 3b.
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Gleiche
Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
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In 1 ist
ein Schrauber 2 gezeigt, der über einen Antriebsmotor 4 angetrieben
wird. Der Schrauber 2 weist ein erstes feststehendes ringförmiges Kupplungsteil 6 und
ein zweites verschiebbares ringförmiges
Kupplungsteil 8 auf. Die Kupplungsteile 6, 8 sind
in ihrer Grundstellung gezeigt, in der sie ineinander eingreifen.
Von der Grundstellung heraus kann die Verschiebung des zweiten Kupplungsteil 8 in
eine Axialrichtung erfolgen, die durch den Pfeil A angegeben ist.
Der detaillierte Aufbau der Kupplungsteile 6, 8 ist
in 3a bis 3d dargestellt.
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Der über eine
Versorgungsleitung 12 mit elektrischer Energie versorgte
Antriebsmotor 4 treibt einen Schrauberabtrieb 14 an,
so dass ein Drehmoment auf eine hier nicht dargestellte Schraube übertragen
wird. Eine Antriebswelle 16a des Antriebsmotores 4 ist
im Ausführungsbeispiel über ein
Planetenradgetriebe mit einer Abtriebswelle 16b verbunden, welche
wiederum mit dem Schrauberabtrieb 14 gekoppelt ist. Das
Planetenradgetriebe umfasst ein Sonnenrad 18, ein Planetenrad 20 und
als Hohlrad mit Innenverzahnung das zweite Kupplungsteil 8.
Im in 1 dargestellten Grundzustand, bei dem das Kupplungsteil 8 in
Eingriff mit dem feststehenden Kupplungsteil 6 steht, ist
das Kupplungsteil 8 drehfest gehalten.
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Das
zweite Kupplungsteil 8 ist außerdem mechanisch mit einem
Anker 22 gekoppelt, der insbesondere aus einem metallischen
Werkstoff besteht und im Querschnitt T-förmig ausgebildet ist. Der Anker 22 wird
von einem Elektromagneten 24 in seiner Grundstellung gehalten.
Der Elektromagnet 24 umfasst einen Stator 26,
mit einer Spule 28 (siehe 2). Eine
Leitung 30 ist vorgesehen, über die der Elektromagnet 24 mit
Energie versorgt wird. Außerdem
weist der Stator 26 einen zentralen Durchgang 32 auf,
durch den der Anker 22 geführt ist. Das Kupplungsteil 8 und
der Anker 22 sind in Axialrichtung A verschieblich gelagert.
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Beim
Anziehen der Schraube steigt das Drehmoment zunehmend an, wodurch
auch ein Dreh-Reaktionsmoment ansteigt, das auf das Getriebe und
die Kupplung wirkt. Durch die Art der Verbindung zwischen den Kupplungsteilen 6, 8 wird
das Reaktionsmoment in eine Axialkraft umgesetzt, die in Axialrichtung
A auf das zweite Kupplungsteil 8 wirkt. Über den
Elektromagneten 24 wird eine magnetische Haltekraft für den Anker 22 erzeugt,
die dieser Axialkraft entgegenwirkt.
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Die
Haltekraft hält
den Anker 22 in seiner axialen Position, so dass er nicht
von dem Stator 26 abrücken
kann. Das zweite Kupplungsteil 8, das mit der Axialkraft
gegen den Anker 22 drückt,
wird in seiner Grundstellung gehalten. Die Haltekraft ist über den Spulenstrom
einstellbar. Über
ein Einstellelement wird ein gewünschter
Drehmomentgrenzwert eingegeben. Dadurch wird definiert, wie groß die maximale axiale
Haltekraft ist.
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Beim Überschreiten
dieses Drehmomentgrenzwerts wird der Anker 22 vom Stator 26 abgehoben,
entsprechend wird das zweite Kupplungsteil 8 verschoben
und die Verbindung zwischen den zwei Kupplungsteilen 6, 8 wird
gelöst.
Bereits unmittelbar nach einem ersten minimalen Abheben des Ankers 22 läßt die magnetische
Haltekraft stark nach und bricht quasi zusammen. Der Elektromagnet 24 ist
insbesondere derart ausgebildet, dass bei einer Axialverschiebung
des Ankers 22 um weniger als 1 mm die Haltekraft bereits
zusammenbricht.
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Nachdem
die Verbindung zwischen den zwei Kupplungsteilen 6, 8 gelöst ist,
wird das Drehmoment der Antriebswelle 16a über das
Planetenrad 20 auf das zweite Kupplungsteil 8 übertragen,
welches anfängt
sich zu drehen. Durch die Rotation des Hohlrads 8 kann
das Drehmoment am Schrauberabtrieb 14 nicht weiter ansteigen
und das Anziehen der Schraube ist beendet.
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Darüber hinaus
ist ein hier nicht dargestelltes Schaltelement vorgesehen, das bei
der Verschiebung des Ankers bzw. des Kupplungsteils 8 betätigt wird.
Dieses Schaltelement übermittelt
dem Motor 4 ein Stoppsignal, wodurch der Motor 4 abgeschaltet wird.
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Um
den Schrauber 2 für
den nächsten
Einsatz bereit zu stellen, werden der Anker 22 und das zweite
Kupplungsteil 8 wieder in ihre Grundstellung zurückgebracht.
Dies erfolgt bevorzugt automatisch aufgrund der entgegen der Axialkraft
wirkenden magnetischen Kraft. Zwar ist diese bei geöffneten
Kupplungsteilen 6, 8 deutlich geringer als die
Haltekraft, da jedoch auf das zweite Kupplungsteil 8 bei
getrennter Kupplung und gestopptem Motor 4 keine Axialkraft mehr
einwirkt, genügt
die verbleibende magnetische Restkraft, um das zweite Kupplungsteil 8 wieder
in seine Grundstellung zurückzuführen.
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Der
Schnitt durch den Elektromagneten 24 in 2 zeigt
die Anordnung des Ankers 22 in der Grundstellung. Die um
den Stator 26 gewickelte Spule 28 ist durch Punkte
an den Außenseiten
des Stators 26 angedeutet. Der Anker 22 ist in
den Durchgang 32 geführt,
der sich über
die ganze Länge
des Stators 26 erstreckt. Außerdem weist der Anker 22 zentral
angeordnet einen Kanal auf, durch den die Abtriebswelle 16b geführt ist.
Der Anker 22 ist in seiner Grundstellung derart positioniert,
dass ein kleiner Luftspalt 33 zwischen dem Anker 22 und
des Spule 28 gebildet ist, der ein besonders leichtes Abheben des
Ankers 22 ermöglicht.
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Der
Aufbau der Kupplungsteile 6, 8 und deren Verbindung
ist in den 3a bis 3d gezeigt. In 3b ist
der formschlüssige
Eingriff der beiden Kupplungsteile 6, 8 dargestellt.
Auf den Stirnseiten 34 der beiden Kupplungsteilen 6, 8 sind
Zäh ne oder Klauen 36 angeordnet,
die miteinander wechselwirkende Gegenwirkungsflächen 38 zur Übertragung der
Drehkräfte
aufweisen. Die Gegenwirkungsflächen 38 sind
derart schräg
angeordnet, dass die in Rotationsrichtung R wirkenden Drehkräfte teilweise in
die in Axialrichtung A wirkende Axialkraft umgewandelt werden. Die
Gegenwirkungsflächen 38 sind hierzu – wie insbesondere
aus 3a hervorgeht – sowohl unter einem Winkel
zur Rotationsrichtung R als auch unter einem Winkel zur Axialrichtung
A orientiert. In 3a ist das zweite Kupplungsteil 8 in Axialrichtung
A leicht verschoben, so dass der Eingriff gelöst ist und das zweite Kupplungsteils 8 frei
rotieren kann.
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Die
hier beschriebene Kupplung mit dem magnetischen Halteprinzip zeichnet
sich durch den sehr einfachen und kompakten Aufbau sowie durch einen dem
zuverlässigen
Betrieb aus. Es sind keine aufwändigen
Sensoren oder Steuereinrichtungen notwendig und vorgesehen. Durch
das magnetische Halteprinzip sind die Drehmomentgrenzwerte durch Einstellung
des Spulenstroms einfach, wiederholbar und genau einstellbar. Von
besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass bei Überschreitung der Haltekraft
und einer bereits geringfügigen
Verschiebung in Axialrichtung die magnetische Haltekraft stark nachlässt, so
dass die Kupplung schlagartig und digital freigegeben wird. Da die
magnetische Haltekraft bereits bei einer Axialverstellung von weniger
als 1 mm zusammenbricht, brauchen die Klauen 36 eine Tiefe
von nur wenigen Millimeter aufzuweisen, da nahezu immer die gesamte
Klauentiefe zur Übertragung
der Drehkräfte
zur Verfügung
steht. Dadurch ist die mechanische Belastung der Kupplungsteile 6, 8 gering.
Im Ausführungsbeispiel
ist ein feststehender Anker 22 beschrieben. Alternativ
ist dieser auf einer der Wellen 16a, 16b mitrotierend
angeordnet.
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- 2
- Schrauber
- 4
- Antriebsmotor
- 6
- erstes
Kupplungsteil
- 8
- zweites
Kupplungsteil,
- 12
- Versorgungsleitung
- 14
- Schrauberabtrieb
- 16a
- Antriebswelle
- 16b
- Abtriebswelle
- 18
- Sonnenrad
- 20
- Planetenrad
- 22
- Anker
- 24
- Elektromagnet
- 26
- Stator
- 28
- Spule
- 30
- Leitung
- 32
- Durchgang
- 33
- Luftspalt
- 34
- Stirnseite
- 36
- Klaue
- 38
- Gegenwirkungsfläche