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Die
Erfindung bezieht sich auf ein ein Drehmoment übertragendes Verbindungsteil
für ein Schraubwerkzeug,
dessen Gattung im Oberbegriff des Anspruches 1 näher umrissen ist.
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Schraubverbindungen. Schraubverbindungen
werden in großem
Umfang in der Industrie, im Handwerk, beim Heimwerken und selbst
im rein privaten Bereich eingesetzt. Zum Herstellen und Lösen von
Schraubverbindungen von Hand werden mechanische Schraubwerkzeuge
in Form einer Werkzeugkette eingesetzt. Diese setzt sich zusammen
aus einem Antriebswerkzeug, einem Verbindungsteil und einem Steckschlüsseleinsatz,
wobei letzterer einen nahezu beliebigen Werkzeugeinsatz aufnehmen
kann, vergl. insbesondere auch Schraubwerkzeuge nach DIN 898. Als
Antriebswerkzeug dient vorzugsweise eine Ratsche, auch Knarre genannt,
mit der über
eine formschlüssige
Vierkantverbindung eine zügige Durchführung des
Schraubvorgangs gewährleistet ist,
vergl. hierzu auch insbesondere DIN 3120 und DIN 3122. Als Verbindungsteile
können
Verlängerungen,
Kardangelenke und Reduzierstücke
dienen, vergl. DIN 3123, die jeweils einen Außenvierkant und einen Innenvierkant
aufweisen. Steckschlüsseleinsätze gibt
es schließlich
in vielen Ausführungen,
vergl. beispielsweise DIN 3124, zum inneren oder äußeren Angriff
am Schraubelement.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein spezielles Verbindungsteil
für Schraubwerkzeuge,
nämlich
in Form eines Kardangelenks. Kardangelenke sind seit vielen Jahren
Bestandteil von Zusammenstellungen in Form von Kästen, Koffern oder Schränken mit
handbetätigten
Antriebswerkzeugen, Verbindungsteilen und Steckschlüsseleinsätzen in verschiedenen
Größen und
Ausführungen.
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Bei
den vorbekannten Verbindungsteilen in Form eines Kardangelenks ist
dem Außenvierkant und
dem hiermit fluchtenden Innenvierkant je eine Gelenkgabel angeformt.
Beide Gelenkgabeln umgreifen um 90° versetzt ein Verbindungsglied
in Form eines langen Vierkants, im Folgenden Gelenk-Vierkant genannt,
und sind über
Stifte oder Schrauben mit diesem zwar gelenkig, aber in Längsrichtung
verdrehfest verbunden. Ein in jeder Gelenkgabel und um den Stift
bzw. die Schraube gelegter Federring sorgt für ein spielfreies, aber leichtgängiges Gelenk.
Beim Montageeinsatz wird der Außenvierkant
einer Ratsche oder sog. Knarre oder dergleichen Antriebswerkzeug
in den Innenvierkant eingeführt.
Das Drehmoment wird dann von Hand über den Außenvierkant des Antriebswerkzeugs
auf den Innenvierkant des Verbindungsteils aufgebracht, dann auf
dessen Gelenkgabel, dann über
einen ersten Stift auf den umgriffenen Gelenk-Vierkant, dann von
diesem über
einen zweiten um 90° versetzen
Stift auf die Gelenkgabel des Außenvierkants und schließlich von
dieser auf den Außenvierkant
selbst. Der Außenvierkant kann
dann entweder mittelbar, d. h. über
eine mehr oder weniger lange Verlängerung oder Reduzierung, oder
auch unmittelbar an einem nach DIN genormten Steckschlüsseleinsatz
angreifen, um ein Schraubelement, wie etwa Schraubenbolzen oder
Mutter, zu verdrehen.
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Die
eingangs genannten und nach DIN genormten Verbindungsteile in Form
von Kardangelenken haben sich bei den hier behandelten Schraubwerkzeugen
jahrzehntelang gut bewährt.
Allerdings weisen sie einen Schwachpunkt auf, der auch aus der schon
genannten Normung deutlich wird. Dieser Schwachpunkt sei anhand
eines vorzugsweise verwendeten Verbindungsteils mit einem Außenvierkant mit
der Nenngröße 12,5
mm erläutert.
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Für solche
Verbindungsteile in Form eines Übergangsteils
oder einer Verlängerung
erfordert die DIN 3123 bei Schraubwerkzeugen ein Prüfdrehmoment
von 512 Nm. Das Übergangsteil
oder die Verlängerung
dürfen
nach der mit dieser Last durchgeführten Prüfung keine bleibende Verformung
oder sonstige Beschädigungen
aufweisen, welche ihre Verwendbarkeit beeinträchtigen.
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Für ein als
Kardangelenk ausgebildetes Verbindungsteil der gleichen Größe erfordert
die DIN 3123 hingegen nur ein Prüfdrehmoment
von 284 Nm. Die Normung stellt folglich erheblich geringere Anforderungen,
nämlich
nur rund 55%, an die Leistungsfähigkeit
eines bei Schraubwerkzeugen eingesetzten Kardangelenks. Somit stellt
eine normgerechte Ausführung
des Kardangelenks ohne weiteres und eindeutig eine Schwachstelle
innerhalb der genannten Werkzeugkette dar. Warum diese Schwachstelle
bisher hingenommen wurde, ist nicht bekannt.
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Die
genannte Werkzeugkette, und damit auch das Kardangelenk als Glied
dieser Kette, wird in großem
Umfang beispielsweise im Getriebe- und Motorenbau, im Stahlbau,
im Kraftfahrzeugbau, in der Befestigungstechnik und in der Luft-
und Raumfahrttechnik eingesetzt. Im konkreten Einsatzfall kann,
z. B. infolge von Korrosion und/oder der Verwendung von Schutzlacken,
zum Lösen
einer festsitzenden Verschraubung ein erheblich höheres Drehmoment erforderlich
sein als üblicherweise.
Dieses erhöhte Drehmoment
wird dann oft z. B. durch eine Verlängerung der Handhabe am Antriebswerkzeug
erzeugt und muß dann
auch über
das Kardangelenk auf das festsitzende Schraubelement übertragen
werden. In solchen und ähnlich
gelagerten extremen Fällen kann
das Kardangelenk dem erhöhten
Drehmoment nicht standhalten: Es kommt zum Bruch des Kardangelenks
und gleichzeitig nicht selten auch zu einer Beschädigung des
Umfelds der Schraubverbindung oder sogar zu einer ernsthaften Verletzung
des Monteurs. Somit besteht ein Bedarf an einem Verbindungsteil
in Form eines Kardangelenks zum Einsatz als Schraubwerkzeug, das ähnlich hohe
Drehmomente übertragen
kann, wie die anderen Glieder der Werkzeugkette. Hier setzt die
Erfindung an.
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Ausgehend
von den zuvor geschilderten Umständen
und Gegebenheiten liegt der Erfindung das Bestreben zu Grunde, ein
ein Drehmoment übertragendes,
kardanisches Verbindungsteil zwischen einem handbetätigten Antriebswerkzeug
und einem Steckschlüsseleinsatz
zu schaffen, das erheblich höher
belastbar ist als bisherige gattungsgemäße Verbindungsteile.
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Um
dies zu erreichen, wurde eine umfangreiche Untersuchung durchgeführt, die
zur Offenlegung der Gründe
für das
vorzeitige Versagen der bisherigen, genormten Ausbildung führte. Hierauf
aufbauend wurden neue Ausführungen
einer ausgiebigen Prüfung
unterzogen, die schließlich
zu einer Optimierung gemäß der Erfindung
führten:
Die Erfindung geht weg von der bisherigen Ausbildung mit der Anordnung
eines einzigen länglichen,
innen liegenden Gelenk-Vierkants. Die Erfindung schlägt statt
dessen eine Ausbildung vor, bei der sowohl an dem Außenvierkant
als auch an dem Innenvierkant aufeinander zu gerichtet je ein mit
der Längsachse
des Außenvierkants
und des Innenvierkants fluchtender Gelenk-Außenvierkant angeformt ist und
bei der die beiden Gelenk-Außenvierkante
durch das Verbindungsglied in Form einer um 90° versetzten Doppelgabel kardanisch
miteinander verbunden sind.
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Diese
neue Ausbildung führt
dazu, dass über das
als Verbindungsteil des Schraubwerkzeugs dienende Kardangelenk nun
ein wesentlich höheres Drehmoment übertragen
werden kann als bisher. Konkret führt die Erfindung dazu, dass
die gesamte Werkzeugkette „Antriebswerkzeug-Verbindungsteil-Steckschlüsseleinsatz" nun durchweg hoch
belastbar ist. Es gibt kein schwaches Glied mehr, das bei einer
infolge besonderer Umstände
erforderlichen erhöhten,
d. h. über
der in der Regel üblichen, Belastung
brechen kann und damit eine Unfallgefahr heraufbeschwört, die
sowohl erhebliche Sachschäden
als auch ernsthafte Personenschäden
nach sich ziehen kann. Die mechanische Verstärkung des Verbindungsteils
wird durch seine neue konstruktiv-räumliche Ausbildung geschaffen,
die zu einem erhöhten
Drehwiderstand im gefährdeten
Querschnittsbereich führt.
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Außerdem wurde
festgestellt, dass die neue Bauform im Vergleich zu der bisherigen
nach DIN genormten in Drehrichtung versteift ist. Dies führt im Anwendungsfall
zu einer Verkleinerung des elastischen Torsionswinkels, was sich
günstig
bei der Verwendung von Ratschen auswirkt, deren Wirkungsgrad gewissermaßen erhöht.
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Die
angestrebte Verstärkung
des Verbindungsteils wird weiter dadurch erhöht, dass die Doppelgabel in
der Mitte zwischen ihren beiden Lagergabeln im Querschnitt geschlossen
ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine weitere Materialkonzentration im
Zentrum des Verbindungsteils, die den Drehwiderstand erhöht.
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Insbesondere
wird eine Kerbwirkung weitgehend ausgeschlossen und wird die Festigkeit
des Verbindungsteils erhöht,
indem die in Richtung der Längsachse
verlaufenden Flächen
des Gelenk-Außenvierkants
des Innenvierkants über
einen relativ großen
Radius in den Außendurchmesser
des Innenvierkants übergehen
und/oder indem die in Richtung der Längsachse verlaufenden Flächen des
Gelenk-Außenvierkants
des Außenvierkants über einen gleichen
Radius in den Außendurchmesser
eines Anschlagbundes des Außenvierkants übergehen.
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Mit
einer kompakten Gestaltung des Verbindungsteils kann ein großer Versatzwinkel
erzielt werden, wenn die Enden der aufeinander zu gerichteten Gelenk- Außenvierkante
entsprechend ihrer mit der jeweils zugeordneten Lagergabel gebildeten
Drehachse stark, z. B. halbkreisförmig, abgerundet sind.
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Der
Gabelgrund einer Lagergabel kann entweder zumindest annähernd halbrund
ausgebildet sein oder im mittleren Bereich zumindest nahezu eben
ausgebildet sein und mit Radien in die Gabelzinken übergehen.
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Die
Drehachsen können
durch jeweils in mindestens einer Gabelzinke pro Lagergabel unverschiebbar
verankerte Bolzen, wie z. B. Stifte, Niete oder Schraubenbolzen,
gebildet sein. Die Bolzen haben dann Spiel mit den Bohrungen der
Gelenk-Außenvierkante.
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Weiter
erhöhte
Festigkeitswerte werden erzielt, wenn das Verbindungsteil zumindest
weitgehend aus einem legierten Stahl mit der Härte von 40 bis 52 HRC besteht
und/oder wenn die Bolzen durch verankerte Zylinderstifte oder dergleichen
aus einem hochfesten Werkstoff, wie etwa chromlegierten Stahl mit
einer Härte
von über
52 HRC, vorzugsweise etwa 58 HRC, gebildet sind. Die schon genannten
Versuche haben bestätigt,
dass solche Verbindungsteile mit den eingangs genannten Abmessungen
Drehmomente von 512 Nm übertragen
können,
so dass eine Schwachstelle in der Werkzeugkette mit Sicherheit entfallen
ist.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt, das nun näher
beschrieben wird.
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1 zeigt
ein Verbindungsteil in Form eines Kardangelenks in Explosivdarstellung,
d. h. vor seinem Zusammenbau.
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2 zeigt
das Verbindungsteil nach 1 nach seiner Fertigstellung
in Vorderansicht.
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3 zeigt
das Verbindungsteil nach 2 in der Ansicht von links und
mit angedeutetem Antriebswerkzeug und angedeutetem Steckschlüsseleinsatz.
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4 zeigt
das Verbindungsteil nach 2 in der Ansicht von oben.
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Das
Verbindungsteil 1 ist bestimmt zur Anordnung zwischen einem
handbetätigten
Antriebswerkzeug einerseits, dessen nach DIN 3120 ausgebildeter
Außenvierkant 2 in 3 strichpunktiert
angedeutet ist, und einem Steckschlüsseleinsatz andererseits, dessen
nach DIN 3120 ausgebildeter Innenvierkant 3 in 3 ebenfalls
strichpunktiert angedeutet ist.
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Das
Verbindungsteil 1 setzt sich zusammen aus einem an einem
Ende angeordneten, einen Außendurchmesser
D1 aufweisenden und im Grund geschlossenen Innenvierkant 4 und
einem am anderen Ende angeordneten Außenvierkant 5, der
von einem einen Außendurchmesser
D2 aufweisenden Anschlagbund 6 begrenzt ist. Hier entspricht
D1 etwa D2.
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An
den Innenvierkant 4 schließt sich ein erster Gelenk-Außenvierkant 7 an,
wobei der Außendurchmesser
D1 über
große
Radien R1 in die vier in Richtung der Längsachse X-X verlaufende Flächen 8, 9, 10 und 11 und
der dazwischen liegenden, nicht bezeichneten Kanten übergehen.
Es wird deutlich, dass auch die zunächst sehr schmalen Fasen der Kanten
durch die Radien R1 größer werden
und einen sanften Übergang
bilden. Das freie Ende 12 des Gelenk-Außenvierkants 7 ist
etwa halbkreisförmig gerundet,
seine Kanten sind leicht angefast.
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An
den Anschlagbund 6 schließt sich, in gleicher Art und
Weise wie der erste Gelenk-Außenvierkant 7,
jedoch um 90° versetzt,
ein zweiter Gelenk-Außenvierkant 13 mit
den Flächen 14, 15, 16 und 17 an.
Hier geht der äußere Durchmesser
D2 des Anschlagbunds 6 über
große
Radien R2 in die in Richtung der Längsachse X-X verlaufenden Außenflächen 14 bis 17 und
den dazwischen liegenden, nicht bezeichneten Kanten über. Das
freie Ende 18 des zweiten Gelenk-Außenvierkants 13 ist
etwa halbkreisförmig
gerundet, seine nicht bezeichneten Kanten sind leicht angefast.
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Beide
gleich ausgebildeten Gelenk-Außenvierkante 7 und 13 sind über ein
Verbindungsglied in Form einer um 90° versetzten Doppelgabel 19 kardanisch
miteinander verbunden. Die Doppelgabel 19 ist im Querschnitt
rund ausgebildet, ihr Außendurchmesser
entspricht den Durchmessern D1 und D2. Sie umfaßt eine erste Lagergabel 20,
eine zweite um 90° versetzte
Lagergabel 21 und einen dazwischen über den gesamten kreisförmigen Querschnittsbereich verbleibenden,
massiven Mittelteil 22. Die Gabelzinken 23 und 24 der
ersten Lagergabel 20 sowie die Gabelzinken 25 und 26 der
zweiten Lagergabel 21 sind an ihren freien Enden stark
abgerundet. Jeder Gabelgrund 27 und 28 zwischen
den Gabelzinken 23 und 24 bzw. 25 und 26 ist
in der Mitte eben ausgebildet und geht über Radien in die Innenflächen der
Gabelzinken 23 und 24 über.
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Die
vorgenannte kardanische Verbindung zwischen den Gelenk-Außenvierkanten 7 und 13 einerseits
und der Doppelgabel 19 andererseits erfolgt über Zylinderstifte 29 und 30,
die in zugeordnete Passbohrungen 31 und 32 der
jeweiligen Lagergabel 20 bzw. 21 unverschiebbar
eingebracht sind. Dies kann z. B. durch Verpressen oder Verkerben
erzielt sein. Die Zylinderstifte 29 und 30 erstrecken
sich mit Spiel durch Bohrungen 33 und 34 der Gelenk-Außenvierkante 7 und 13 und
bilden somit die senkrecht aufeinander stehenden Drehachsen Y-Y
und Z-Z. Zur Ausschaltung eines axialen Spiels innerhalb dieser Drehachsen,
aber zur Sicherung der Drehbeweglichkeit, sind in entsprechend erweiterten
Absätzen
der Bohrungen 33 und 34 Federringe 35 und 36 eingebracht.
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Für das Verbindungsteil 1 wird
weitgehend als Werkstoff vorzugsweise ein legierter Edelstahl verwendet,
z. B. der unter der Bezeichnung 31 CrV2/1.2208 bekannte,
dessen Härte
etwa zwischen 40 und 52 HRC liegen soll. Für die Zylinderstifte 29 und 30 oder
gleichwirkende Verbindungsmittel wird ein hochfester Werkstoff verwendet,
vorzugsweise auch ein gehärteter
Stahl nach DIN 8734. Solche Stähle
sind z. B. unter der Bezeichnung 100Cr6 und 16MnCr5 bekannt, deren
Härte jedoch
größer als
52 HRC sein soll, vorzugsweise etwa 58 HRC. Diese Härtewerte
können
z. B. durch Randzonenhärtung bzw.
Einsatzhärten
erzielt werden.
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- 1
- Verbindungsteil
- 2
- Außenvierkant
- 3
- Innenvierkant
- 4
- Innenvierkant
- 5
- Außenvierkant
- 6
- Anschlagbund
- 7
- erster
Gelenk-Außenvierkant
- 8
- Fläche
- 9
- Fläche
- 10
- Fläche
- 11
- Fläche
- 12
- Ende
- 13
- zweiter
Gelenk-Außenvierkant
- 14
- Fläche
- 15
- Fläche
- 16
- Fläche
- 17
- Fläche
- 18
- Ende
- 19
- Doppelgabel,
Verbindungsglied
- 20
- erste
Lagergabel
- 21
- zweite
Lagergabel
- 22
- Mittelteil
- 23
- Gabelzinke
- 24
- Gabelzinke
- 25
- Gabelzinke
- 26
- Gabelzinke
- 27
- Gabelgrund
- 28
- Gabelgrund
- 29
- Zylinderstift
- 30
- Zylinderstift
- 31
- Passbohrung
- 32
- Passbohrung
- 33
- Bohrung
- 34
- Bohrung
- 35
- Federring
- 36
- Federring
- D1
- Außendurchmesser
- D2
- Außendurchmesser
- R1
- Radius
- R2
- Radius
- X-X
- Längsachse
- Y-Y
- Drehachse
- Z-Z
- Drehachse