DE3146494A1 - Elektrowerkzeug, insbesondere handwerkzeug, mit drehmomentueberwachung - Google Patents

Description

Black & Decker Inc. ... , , ^- Case 4149

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Elektrowerkzeug. insbesondere Handwerkzeug« mit Drehmoinentüberwachung

Die Erfindung betrifft ein Elektr(werkzeug, insbesondere Handwerkzeug, mit einer Drehmomentüberwachung unter Verwendung eines den Elektromotor des Werkzeugs beeinflussenden Meßgliedes.

Bei einem bekannten Elektrowerkzeug der vorstehend genannten Art (DE-OS 24 42 260) wird zur Überwachung und gegebenenfalls Begrenzung des Drehmoments und damit der Beseitigung von Unfallgefahren bei den zunehmend höheren Leistungen und Drehmomenten solcher Werkzeuge die Verformung des Handgriffs gegenüber dem Gehäuse gemessen und abhängig vom Meßwert der Antriebsmotor gesteuert. Zur Meßwerterfassung benutzt das bekannte Werkzeug Dehnungsmeßstreifen oder Piezowiderstände, die vorzugsweise in einem. Bereich mit vermindertem Gehäusequerschnitt angeordnet sind.

Die Messung der Gehäusebeanspruchung im Bereich des Handgriffs hat den Nachteil, daß für jede Gehäuseausführung eine aufwendige Anpassung des Meßwertaufnehmers samt Schaltung erforderlich ist. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß die Überwachung dann nicht funktioniert,wenn das Werkzeug unter besonderen Umständen oder aus Unachtsamkeit nicht am Handgriff erfaßt wird, oder Zusatzgeräte die Belastung des Handgriffs verringern oder verhindern.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (DE~Patentanmeldung P 31 42 682.4), das Drehmoment des Elektromotors bei ' einem Elektrowerkzeug dadurch zu ermaßen, daß wenigstens ein das Reaktionsdrehmoment des Elektromotors aufnehmendes Stütz]agor im Gehäuoe dos Werkzeug« als-Meßglied

wenigntens einen Drucksensor aus elektrisch leitendem Kunststoffmateri.il enthält, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert.

Mit der Erfindung soll demgegenüber eine andere Lösung der darin bestehenden Aufgabe geschaffen werden, ein Elektrowerkzeug mit einer einfachen, zuverlässigen und empfindlichen Drehmomentüberwachung zu schaffen, die universell einsetzbar ist. Die Lösung besteht darin, daß die Welle des Elektromotors abtriebsseitig eine Schrägverzahnung oder eine Schnecke aufweist und daß als Meßglied ein Drucksensor für die Axialkraft der Motorwelle vorgesehen ist.

Diese Erfassung des Drehmoments beruht auf der Erkenntnis, daß die an sich eher nachteilige, ein Drucklager erforderlieh machende Axialkraft bei einer Schrägverzahnung oder auch einer Schnecke auf der Motorwelle, die üblicherweise aus Gründen der Laufruhe und besseren Kraftübertragung gewählt werden, für die Erfassung des Drehmomentes ausgenutzt werden kann. Da diese Erfassung des Drehmomentes direkt am Antriebsmotor erfolgt, läßt sie sich in Werkzeugen unterschiedlicher Form und Art, beispielsweise in elektrischen Handbohrmaschinen, Schraubern, Handsägen usw. verwenden. Dabei wird nur das Drehmoment aufgrund der tatsächlich abgegebenen mechanischen Leistung erfaßt und nicht auch das Reaktionsmoment aufgrund des Trägheitsmomentes beim Anlaufen oder auch elektrischen Abbremsens des Motors. Mit Hilfe einer Auswerteschaltung an sich bekannter Art kenn das vom Drucksensor abgegebene Signal dazu benutzt werden, das Drehmoment auf einen vorwählbaren Wert zu begrenzen und damit beispielsweise ein gewünschtes Anzugsmoment für Schrauben einzustellen, oder auch für einen Überlastungschutz und eine Leistungsbegrenzung zu sorc;en. Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, das Drehmoment des Motors anzuzeigen oder auch bei Überschreiten vorgebbarer Schwellenwerte zur Auslösung

bestimmter Vorgänge auszunutzen, beispielsweise zur automatischen Umschaltung von Getrieben=

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann der Drucksensor zwischen dem Elektromotor und seiner axialen Abstützung im Gehäuse des Elektrowerkzeugs oder auch innerhalb des Motors angeordnet sein, nämlich zwischen dem der Schrägverzahnung oder der Schnecke gegenüberliegenden Motorwellenlager und dessen axialer Abstützung. Diese Stelle liegt auch verhältnismäßig weit von den hoch beanspruchten und damit im Betrieb heißen Teilen des Motors entfernt. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Übertragungsglied oder eine thermische Isolierung für den Drucksensor vorgesehen werden.

Unter Drucksensor soll im vorliegenden Zusammenhang Jede Einrichtung verstanden werden, die eine mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Dazu gehören beispielsweise piezoelektrische Umwandler, insbesondere aber auch Sensoren, die ein elektrisch leitendes Kunststoffmaterial enthalten, dessen Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert. Ein solches Kunststoffmaterial, das auch als "Leitplastik" bezeichnet wird, ist in vielerlei Varianten bekannt. Beispielsweise wird Silikonkautschuk, vermischt mit Metallteilen?=' oder Koh-

25. lenstaub, verwendet(DE-AS 25 43 455). Bekannt ist auci die Verwendung eines solchen Materials als druckempfindlicher Schalter zur Überlastsicherung (DE-PS 20 45 385) sowie als stetig veränderbarer Widerstand zur Regelung der Stromaufnahme von Verbrauchern, beispielsweise zur Drehzahlregelung von Handbohrmaschinen (US-PS 3 386 067). Die von einem solchen Drucksensor golieferten Meßwerte sind verhältnismäßig hoch, weil sich der elektrische Widerstand dos leitenden Kunststoffmrr^erinls verhältnicmößig stark mit dem Druck ändert, beispielsweise um mehrere

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Zenerpotenzen. T;aher kann dann die Auswerteschaltung einfach und zuverlissig sein. Die Drucksensoren selbst sind unempfindlich, zuverlässig und von hoher Lebensdauer, eignen sich also für den rauhen Betrieb bei Elektrowerkzeugen. Das druckabhängig leitende Kunststoffmaterial kann mit Vorteil! ein Plättchen sein, das zwischen einer mit im Atäband angeordneten Elektroden versehenen Elektrodenplatte und einer Druckplatte liegt. Das Plättchen, die Elektrodenplatte und die Druckplatte können dabei mit Vorteil Kreisringform mit je etwa gleichem Außen- und Innendurchmesser besitzen und hinter einem Kugellager an dem der Schrägverzahnung bzw. der Schnecke gegenüberliegenden Motorwellenende angeordnet sein, wobei der Außen- und Innendurchmesser mit den entsprechenden ¥erten des Kugellagers übereinstimmt.

Als Drucksensor, der in kinematischer Umkehr auch auf Zug statt auf Druck ansprechen kann, lassen sich auch Einrichtungen vorwenden, die eine Kraft aufgrund einer Verschiebung gegen einen Widerstand messen, beispielsweise in Form einer Abstandsänderung, die mit einem induktiven Näherurigssensor oder e.inem Halleffekts ens or gemessen wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eino teilweise geschnittene Ansicht eines ·

Elektromotors für ein Elektrowerkzeug mit einem Drucksensor zur Drehmomentüberwachung nach der Erfindung;

Fig. 2 eino genauere und auseinandergezogene Darstellung des Drucksensors im Motor nach

Fig. 1. '

Der dargestellt-· Elektromotor ist für eine Handbohrmaschine oder ein ähnliches Elektrowerkzeug: vorgesehen. Er weist einen Stator 1 und einen Rotor 2 auf. Die Welle

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des Rotors 2 trägt in üblicher Weine eine nicht im einzelnen dargestellte Ankerwicklung und einen Kollektor 4 (die Schleifbursten sind zur Vereinfachung nicht dargestellt) und weist abtriebsseitig eine Schrägverzahnung 5 auf. Diese greift im Elektrowerkzeiig in ein angepaßtes Zahnrad (nicht dargestellt) ein. Auf der Seite der Schrägverzahnung 5 besitzt die Welle 3 ein Lager 6, das zusammen mit einer Lagerbuchse (nicht gezeigt) im Gehäuse des Elektrowerkzeugs ein Gleitlager bildet oder auch ein Kugellager aufnehmen kann. Auf der anderen Seite ist ein Kugellager 7 auf die Welle 3 aufgepreßt, das in einer Bohrung 8 einer Brücke 9 liegt, die mit dem Stator 1 verbunden ist. Zur Geräuschdämpfung ist in der Bohrung 8 ein Gummiring 10 angeordnet, der das Kugellager 7 elastisch festlegt.

Wenn die Welle 3 über die Schrägverzahnung 5 ein Drehmoment überträgt, so tritt wegen der Schrägverzahnung eine Axialkraft auf, deren Richtung vom Drehsinn und deren Größe vom übertragenen Drehmoment abhängt. Diese Axialkraft wirkt, wenn eine bestimmte Drehrichtung angenommen wird, als Druckkraft auf einen Drucksensor 11, der hinter dem Kugellager 7 in der Bohrung 8 angeordnet ist. Die Kraftübertragung erfolgt dabei über das Kugellager 7.

Der Drucksensor weist gemäß Fig. 2 eine Druckplatte 12 auf, die am Kugellager 7 anliegt, /uf die Druckplatte folgt ein kreißringförmiges Plättchen 13 aus druckabhängig leitendem Kunststoffmaterial urid anschließend eine Elektrodenplatte 14 mit einem elektrisch leitenden Außenring 15 und Innenring 16. Von diesen gehen kammartig ineinander greifende, sich nicht berührende Elektroden 17 aus, die durch den Ring 13 mit einem vom Druck abhängigen Widerstand verbunden sind. Insgesant tritt dann zwischen den mit dem Außen- und Innenring 15 bzw. 16 verbundenen Leitungen 18 ein Widerstand auf, der von der axialen

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Druckkraft der Motorwelle 3 und damit vom abgegebenen Drehmoment abhängt. Dieser Y/lderstand wird in einer (nicht dargestellten) Auswerteschaltung bekannter Art zur Überwachung, insbesondere Regelung oder Begrenzung, des Drehmomentes benutzt.

Generell können Drucksensoren· benutzt werden, die sowohl auf Druck als auch auf Zug ansprechen und damit in beiden Drehrichtungen des Motors wirksam sind. Dazu können jeweils getrennte Sensoren benutzt werden oder auch Sensoren, die auf Kräfte in entgegengesetzten Richtungen ansprechen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird dagegen nur die; Kraft in einer Drehrichtung des Motors gemessen. Das ist beispielsweise dann erwünscht, wenn bei einem Schrauber zwar das Anzugsmoment für Schrauben begrenzt wird, zum Herausdrehen der Schrauben jedoch immer das maximale Drehmoment zur Verfügung stehen soll.

Venn bei höheren Ansprüchen Temperatur- oder sonstige Einflüsse auf den Drucksensor möglichst vermiedenWerden sollen, be.steht die Möglichkeit, vier symmetrisch angeordnete Drucksensoren in einer Brückenschaltung zusammenzufassen, die an einer Diagonalen mit einer Spannung gespeist wird und an der anderen Diagonalen das auszuwertende Signal abgibt.

Claims (7)

BLUMBACH..O/fgSE.B -JBEBGEN · KRAMER g « ZWIRNER - HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN , Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telelon (089) 883603/883604 Tc-θχ 05-212313 Telegramme Palonlcorisull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/56199t Telex 04-186237 Telegramme Patenlconsull Black & Decker Inc. Case 4149 Newark, Del. 1971.1, USA Patentansprüche

1.) Elektrowerkzeug, insbesondere Handwerkzeug, mit einer Drehmomentüberwachung unter Verwendung eines den Elektromotor des Werkzeugs beeinflussenden Meßgliedes, d adurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) des Elektromotor?/· (1, 2) abtriebsseitig eine Sehragverzahnung (5) oder eine Schnecke aufweist und daß als Meßglied ein Drucksensor (11) für die Axialkraft der Motorwelle (3) vorgesehen ist.

2. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor zwischen dem Elektromotor und seiner axialen Abstützung im Gehäuse des Elektrowerkzeugs angeordnet ist.

3. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (11) zwischen dem der Schrägverzahnung (5) oder der Schnecke gegenüber liegenden Motorwellenlager (7) und dessen axialer Abstützung angeordnet ist.

4. . Elektrowerkzeug nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (11) ein elektrisch leitendes Kunststoffmaterial (13) enthalt,

dessen Widerstand sich abhängig vo;n ausgeübten Druck ändert .

München R. Krenior Dipl.-Ing. · W. Wostir Dlpl.-Phya. Or. roi, η il. · C. Hnflnumn ΟΙμΙ Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl Ing. · P. Eergen Prof. Dr. jur. Dipl.-lnrj., Pal .-As·»., I'm Anw. bis 1979 · G. Zwirnor Oipl.-Infl. Dipl.W.lmj.

5. Elektrowerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plättchen (13) aus druckabhängig leitendem Kunststoffmaterial zwischen einer mit im Abstand angeordneten Elektroden (17) versehenen Elektrcdenplatte (14) und einer Druckplatte (12) liegt.

6. Elektrowerkzeug nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (13)_} die Elektrodenplatte (14), die Druckplatte (12) Kreisringform mit je etwa gleichem Außen- und Innendurchmesser besitzen und hinter einem Kugellager (7) an dem der Schrägverzahnung (5) bzw. der Schnecke gegenüber liegenden Motorwellenende angeordnet sind.

7. Elektrowerkzeug nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor eine Einrichtung zur elektrischen Messung einer Abstandsänderung aufweist, die die durch den axialen Druck der Motorwelle bewirkte Verschiebung der Motorwelle bzw. des Motors gegen eine ela.-itische Lagerung mißt.