DE3639098A1 - Druckluftschrauber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckluftschrauber mit einem Druckluftmotor, einem Schrauberkopf und einem Getriebe zur Kraftübertragung vom Motor zum Kopf sowie mit einer Steuervorrichtung, welche zumindest einen einstellbaren Druckminderer zur Drehmomentbegrenzung umfaßt und welche ein manuelles Ein- und Ausschalten des Schraubers durch Öffnen bzw. Schließen eines Hauptluft­ ventils in der Druckluftzuleitung zum Motor des Schrau­ bers erlaubt.

Druckluftschrauber der genannten Art sind allgemein bekannt und werden z. B. im Kraftfahrzeugbau und -hand­ werk oder im Bergbau häufig eingesetzt. Bei vielen An­ wendungen derartiger Schrauber ist es wichtig, ein be­ stimmtes, vorgebbares Drehmoment, z. B. beim Anziehen von Schrauben, auszuüben. Bekannte Schrauber sind hierzu mit dem erwähnten einstellbaren Druckminderer in der Luftzuleitung und/oder mit einer verstellbaren, rein mechanisch arbeitenden Rutschkupplung zwischen Motor und Schrauberkopf ausgestattet. Das Einschalten und auch das Ausschalten des Schraubers bei Beendigung eines Schraub­ vorganges erfolgt manuell durch die den Schrauber be­ nutztende bzw. bedienende Person. Diese muß am Ende jedes Schraubvorganges das vom Schrauber erzeugte Dreh­ moment mit den Händen und Armen abfangen und den Schrau­ ber abschalten. Da dieser Vorgang sehr ruckhaft vor sich geht, insbesondere bei relativ schnell laufenden Schrau­ bern, werden Hand- und Armgelenke sehr stark bean­ sprucht, so daß es auf Dauer zu gesundheitlichen Schädi­ gungen kommen kann. Um nicht unnötig lange das Drehmo­ ment gegenhalten zu müssen, sind eine hohe Konzentration und schnelle Reaktion der Bedienungsperson erforderlich, was aber bei lang dauernder, gleichförmiger Arbeit kaum durchzuhalten ist. Hierdurch kann es dazu kommen, daß der Schrauber unbeabsichtigt oder auch bewußt zur Ver­ meidung zu starker Ruckbewegungen zu früh abgeschaltet wird. Dies führt im Endeffekt zu einer großen Ungenauig­ keit und Streuung der Anzugsmomente von z. B. einer Anzahl von Schraubverbindungen, die an sich alle gleich sein sollten. Selbst bei optimaler Arbeit der Bedie­ nungsperson ergeben sich noch relativ große Fehler bei den Anzugsmomenten unterschiedlicher Schraubvorgänge mit unterveränderten Einstellungen des Schraubers. Diese Fehler beruhen darauf, daß eine rein mechanische Rutsch­ kupplung prinzipbedingt ungenau und nicht exakt reprodu­ zierbar arbeitet. Auch die Drehmomenteinstellung durch den Druckminderer hat Nachteile, da hierdurch die Ar­ beitsdrehzahl des Schraubers ebenfalls verändert wird und unter Umständen zu hoch oder zu niedrig wird. Damit verändern sich auch die Trägheitsmomente der rotierenden Teile des Schraubers bei jeder Änderung der Druckein­ stellung, was die Vorgabe und Einhaltung genauer Dreh­ momente bzw. Anzugsmomente unmöglich macht.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Druckluftschrau­ ber der eingangs genannten Art zu schaffen, der die aufgeführten Nachteile vermeidet und der insbesondere eine genaue und reproduzierbare Vorgabe und Einhaltung gewünschter Drehmomente bzw. Anzugsmomente erlaubt und der die Bedienungsperson wirksam entlastet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch einen Druckluftschrauber der eingangs genannten Art, bei welchem die Steuervorrichtung eine Auslöseeinrichtung aufweist, welche bei Anstieg des Druckes in der Druck­ luftzuleitung zum Motor des Schraubers vom dynamischen Druck bei laufendem Druckluftmotor zum statischen Druck bei Bremsung oder Blockierung des Motors infolge Errei­ chung eines bestimmten Drehmomentes, z. B. beim Fest­ ziehen einer Schraube, die Druckluftzufuhr zum Motor des Schraubers sperrt.

Dieser Druckluftschrauber bietet den Vorteil, daß eine manuelle Abschaltung des Motors durch die Bedienungsper­ son nicht mehr erforderlich ist. Stattdessen wird das Phänomen des Druckanstieges vom dynamischen zum stati­ schen Druck am Ende des Schraubvorganges dazu ausge­ nutzt, den Motor auszuschalten. Hierdurch erfolgt die Abschaltung bei jedem Schraubvorgang in gleicher Weise und insbesondere bei Erreichen desselben Dreh- bzw. Anzugsmomentes. Bei diesem Schrauber kann aufgrund der beschriebenen Steuerung allein schon durch Einstellung des Druckminderers eine gute Reproduzierbarkeit eines vorgebbaren Dreh- bzw. Anzugsmomentes erreicht werden.

Eine weitere Verbesserung der Einstellbarkeit und Repro­ duzierbarkeit des Dreh- bzw. Anzugsmomentes des Schrau­ bers wird erreicht, wenn die Auslöseeinrichtung einen Druckfühler mit einstellbarer Ansprechschwelle aufweist. Zudem bietet diese Ausgestaltung der Erfindung den Vor­ teil, daß der Druckminderer für die Drehmomenteinstel­ lung nicht mehr benötigt wird, sondern immer so einge­ stellt werden kann, daß der Schrauber mit seiner optima­ len Drehzahl arbeitet. Die Drehzahl bleibt damit von der Drehmomenteinstellung völlig unberührt. Lediglich in seinem maximal möglichen Wert wird das Drehmoment noch durch den Druckminderer beeinflußt, was aber in der Praxis keinen Nachteil sondern im Gegenteil eher einen Sicherheitsfaktor darstellt.

Weiterhin ist bei dem Druckluftschrauber gemäß Erfindung vorgesehen, daß in die Kraftübertragung vom Druckluft­ motor zum Schrauberkopf ein begrenzt-elastisches Zwi­ schenglied eingeschaltet ist. Dieses Zwischenglied trägt zu einer weiteren Entlastung der Bedienungsperson des Schraubers bei, indem es dafür sorgt, daß das Anzugsmo­ ment beim Festziehen einer Schraube nicht schlagartig oder ruckartig, sondern vergleichsweise langsam und stetig von einem niedrigen Wert ausgehend und dann an­ steigend aufgebaut wird. Nach ersten praktischen Ver­ suchen ergibt sich hierdurch eine Verminderung der Ge­ lenkbelastung der Bedienungsperson von bis zu 50%, was eine wesentliche Verbesserung der Arbeitsbedingungen der Bedienungsperson und der Handhabbarkeit des Schraubers bedeutet.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Schraubers sieht vor, daß das begrenzt-elastische Zwischenglied aus zwei Kupplungselementen besteht, nämlich einerseits einer Kurvenkrone und andererseits einem auf der Krone unter gegenseitiger axialer Verschiebung koaxial um einen begrenzten Winkelbetrag gleitbaren oder abrollbaren Gegenstück besteht, welche unter Federkraft aneinander­ gedrückt sind und wobei das eine der Kupplungselemente mit der Abtriebsseite des Motors oder des Getriebes und das andere der Kupplungselemente mit der Antriebsseite des Getriebes oder Schrauberkopfes kraftschlüssig ver­ bunden ist. Ein derart ausgestaltetes Zwischenglied ist sehr robust und langlebig und unterliegt selbst bei rauhem Einsatz einem wesentlich geringeren Verschleiß als beispielsweise elastische Gummielemente. Weiterhin kann hier die Charakteristik des Zwischengliedes durch Änderung der Federkraft variiert und für den jeweiligen Verwendungszweck des Schraubers optimiert werden. Mit dem Zwischenglied wird ein Teil der sonst auftretenden, aufzufangenden ruckhaften Drehbewegung des gesamten Schraubers um eine festgehende Schraube umgewandelt in eine völlig unschädliche axiale Bewegung in Richtung der Schraubenlängsachse. Schließlich kann das Zwischenglied auf einfache Weise so ausgestaltet sein, daß es sowohl für Rechts- als auch für Linkslauf ohne Änderungen ver­ wendbar ist.

Je nach vorgesehenem Einsatzgebiet des Schraubers kann die Steuervorrichtung vollständig mit pneumatisch arbei­ tenden Elementen oder auch aus elektro-pneumatischen Elementen aufgebaut sein. Die erste Möglichkeit bietet den Vorteil einer vollständigen Unabhängigkeit von einer Elektrizitätsversorgung und einer völligen Sicherheit gegen die Bildung elektrischer Funken. Die zweite Mög­ lichkeit bietet insbesondere den Vorteil, daß sie sehr kostengünstig realisierbar ist.

Je nach Grundtyp der Steuerungseinrichtung des Schrau­ bers ist vorgesehen, daß der Druckfühler ein pneumati­ sches Reversierventil ist, welchem ein von diesem pneu­ matisch betätigbares Luftventil in der Druckluftzulei­ tung zum Motor des Schraubers nachgeschaltet ist, oder daß der Druckfühler ein elektropneumatisches Reversier­ ventil ist, welchem ein von diesem elektromagnetisch betätigbares Luftventil in der Druckluftzuleitung zum Motor des Schraubers nachgeschaltet ist. Beide Versionen des Schraubers bieten den Vorteil einer hohen Betriebs­ sicherheit und einer genauen und zugleich einfach durch­ zuführenden Einstellbarkeit des Dreh- bzw. Anzugsmomen­ tes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 7 und 8 sowie 11 und 12 hervor.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Druckluftschrauber gemäß Erfindung mit Steuervorrichtung in prinzipieller Darstellung und

Fig. 2 ein elastisches Zwischenglied als Teil des er­ findungsgemäßen Schraubers im Längsschnitt, teils in Ansicht.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, wie gesagt, ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines Druckluftschraubers 1 zusammen mit der zugehörigen Steuervorrichtung 2 in prinzipieller Darstellung. Der Schrauber 1 weist im Inneren eines Gehäuses 10 die üblichen Komponenten wie Motor 12, Ge­ triebe 13 sowie aus dem Gehäuse 10 an der Stirnseite vorragend einen Schrauberkopf 15 auf. Die Druckluftzu­ fuhr zum Motor 12 erfolgt über eine Luftleitung 33, welche von einem Druckminderer 32 kommt. Der Druckmin­ derer 32 ist seinerseits über eine Druckluftleitung 31 an eine nicht dargestellte Druckluft-Versorgungseinrich­ tung angeschlossen. In die Luftleitung 33 vom Druckmin­ derer 32 zum Druckluftmotor 12 ist ein Ein-Aus-Schalt­ ventil 21 eingeschaltet. Dieses dient dazu, die Druck­ luftzufuhr zum Motor 12 wahlweise zu sperren oder frei­ zugeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ein-Aus-Schaltventil 21 ein rein pneumatisches Element, d. h. das Öffnen und Schließen des Ventils erfolgt durch wahlweise Druckbeaufschlagung eines von zwei Schaltein­ gängen. Diese Schalteingänge des Ventils 21 sind über Luftleitungen 38 und 38′ mit einem Impuls-Umschaltventil 22, genauer mit dessen beiden Ausgängen verbunden. Neben diesen beiden Ausgängen weist das Ventil 22 einen Druck­ lufteingang auf, welcher über eine Druckluftleitung 36′ mit der Hauptluftleitung 33 in Fließrichtung der Luft gesehen vor dem Ein-Aus-Schaltventil 21 verbunden ist. Der Drucklufteingang des Ventils 22 steht somit ständig unter einem Druck. Schließlich weist das Impuls-Um­ schaltventil 22 noch einen Impulseingang auf. Bei Auf­ gabe eines Druckluftimpulses auf diesen Eingang wird die durch die Leitung 36′ zum Ventil 22 gelangende Druckluft wechselweise auf einen der beiden Ausgänge und damit auf eine der beiden Leitungen 38 oder 38′ geschaltet. Dabei ist das Impuls-Umschaltventil selbsthal­ tend, so daß ein einmal eingestellter Schaltzustand erhalten bleibt, solange keine weiteren Druckluftimpul­ se auf den Eingang des Impuls-Umschaltventils 22 gelan­ gen.

Druckluftimpulse können auf zwei unterschiedlichen Wegen zum Impuls-Umschaltventil 22 gelangen. Der erste Weg führt von der Hauptluftleitung 33 über eine Zweigleitung 36, ein Tastventil 11 und eine weitere Luftleitung 37 zum Impulseingang des Umschaltventils 22. Bei Betätigung des Tastventils 11, z. B. durch einen kurzzeitigen Fin­ gerdruck, wird ein Druckluftimpuls auf den Impulseingang des Umschaltventils 22 gegeben, welches daraufhin seinen Schaltzustand umkehrt. Hierdurch wird die vorher unter Druck stehende Leitung der beiden Leitungen 38 und 38′ zum Ein-Aus-Schaltventil 21 drucklos und umgekehrt, d. h. auch das Ein-Aus-Schaltventil 21 ändert seinen Schaltzustand. Dies bedeutet, daß durch jeweils eine kurzzeitige Betätigung des Tastventils 11 der Schrauber ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tastventil 11 in das Gehäuse 10 des Schraubers 1 integriert, so daß eine sehr kom­ fortable Bedienbarkeit erreicht wird. Zudem kann ein solches Tastventil 11 wesentlich kleiner und leichter ausgeführt werden als ein Ein-Aus-Schaltventil für die Hauptluftleitung, so daß der Schrauber 1 insgesamt leichter und kleiner wird.

Der zweite Weg für Druckluftimpulse zum Impulseingang des Umschaltventils 22 wird durch eine Luftleitung 35 gebildet, welche einen Druckfühler 23 mit dem Umschalt­ ventil 22 verbindet. Eingangsseitig ist der Druckfühler 23 über eine Luftleitung 34 mit der Hauptluftleitung 33 zwischen dem Ein-Aus-Schaltventil 21 und dem Druckminde­ rer 32 verbunden. Der Druckfühler 23 ist so ausgelegt, daß er bei Ansteigen des Druckes in der Hauptluftleitung 33 vom dynamischen Druck bei laufendem Druckluftmotor 12 zum statischen Druck bei gebremstem oder blockiertem Motor 12 einen einzelnen Druckluftimpuls über seinen Ausgang auf die Luftleitung 35 gibt. Ein derartiger Druckfühler 23 ist vorzugsweise als an sich bekanntes Reversierventil ausgeführt. Durch den Druckfühler 23 wird also der Motor 12 des Schraubers 1 bei Beendigung des Schraubvorganges automatisch abgeschaltet, da, wie oben bereits beschrieben, der auf die Luftleitung 35 gegebene Druckluftimpuls eine Umschaltung des Impuls- Umschaltventils 22 und damit eine Änderung des Schaltzu­ standes des Ein-Aus-Schaltventils 21 bewirkt. Nach Umsetzen des Schraubers 1 auf eine neue, noch nicht eingeschraubte Schraube kann dieser mittels einer kurzen Betätigung des Tastventils 11 wieder in Betrieb gesetzt werden.

Der Druckfühler 23 ist vorzugsweise in seiner Ansprech­ schwelle einstellbar, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, genaue Drehmomente bzw. Anzugsmomente vorzugeben und einzuhalten. Da der Druckunterschied zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck in der Haupt­ luftleitung 33 in der Praxis in einer Größenordnung von etwa 1 bar liegt, steht ein ausreichend großer Spielraum für die Einstellung unterschiedlicher Ansprechschwellen zur Verfügung.

Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal des Schrau­ bers 1 ist ein in diesen zwischen dem Getriebe 13 und dem Schrauberkopf 15 angeordnetes elastisches Zwischen­ glied 14. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieses Zwischengliedes 14 ist in der Fig. 2 im Detail darge­ stellt. Diese Figur zeigt das elastische Zwischenglied 14 in Seitenansicht im Inneren des in seiner Längs­ richtung aufgeschnittenen Gehäuses 10 des Schraubers. Im oberen Teil der Figur ist eine Getriebeabtriebswelle 41 erkennbar, die sowohl links- als auch rechtslaufend sein kann. Am freien Ende der Welle 41 ist ein Rollenpaar 42 erkennbar, dessen Rotationsachse genau senkrecht zur Rotationsachse der Welle 41 durch diese hindurch ver­ läuft. Das Rollenpaar 42, von dem aufgrund der gewählten Darstellung nur die dem Betrachter der Figur zugewandte vordere Rolle sichtbar ist, rollt auf einer Kurvenkrone 43, genauer auf einer Roll- oder Gleitbahn 44 der Kurven­ krone 43 ab. In ihrem weiteren Verlauf weist die Kurven­ krone 43 einen im Durchmesser kleineren Schaft 45 sowie ein gezahntes Anschlußende 47 für einen Schrauberkopf oder eine Schraubnuß auf. Innerhalb des Gehäuses 10 sind sowohl die Welle 41 als auch die Kurvenkrone 43 drehbar gelagert, wobei hier auf die Art der Lagerung nicht näher eingegangen wird. An seinem unteren Ende weist das Gehäuse 10 einen Einsprung 10′ auf, welcher eine Auf­ lagefläche für ein Paket von Tellerfedern 46 bildet. Die andere Auflagefläche für das Tellerfedern-Paket wird durch die Unterseite der Kurvenkrone 43 gebildet. Durch die Federkraft der Tellerfedern 46 wird die in Richtung ihrer Rotationsachse axial verschiebbare Kurvenkrone gegen das Rollenpaar 42 an der Welle 41 gedrückt. Die Stärke der Tellerfedern 46 sowie die Bewegungsfreiheit der Kurvenkrone 43 in axialer Richtung sind dabei so bemessen, daß die Welle 41 und die Kurvenkrone 43 um einen begrenzten Winkel gegeneinander verdrehbar sind. Aufgrund der Gestaltung der Roll- bzw. Gleitbahn 44 der Kurvenkrone 43 wird erreicht, daß bei Bremsung oder Blockierung eines an dem Anschlußstück 47 angeschlosse­ nen Schrauberkopfes sich die Welle 41 ohne axiale Ver­ schiebung zunächst noch weiterdreht, bis der maximale relative Verdrehwinkel zwischen der Welle 41 bzw. dem darauf gelagerten Rollenpaar 42 und der Kurvenkrone 43 erreicht ist. Da parallel hierzu das Paket der Teller­ federn 46 durch die axiale Verschiebung der Kurvenkrone 43 stärker zusammengepreßt wird, ergibt sich eine höhere Andruckkraft zwischen dem Rollenpaar 42 und der Kurven­ krone 43. Durch dieses elastische Zwischenglied 14 wird also erreicht, daß das beim Festgehen einer Schraube erzeugte Drehmoment nicht ruckhaft einsetzt, sondern vergleichsweise langsam aufgebaut wird.

Aufgrund der symmetrischen Gestaltung der Kurvenkrone 43 ist diese, wie durch die Drehpfeile in der Fig. 2 angedeutet, sowohl für Links- als auch für Rechtslauf in gleicher Weise verwendbar.

Außer der dargestellten Ausführung des elastischen Zwi­ schengliedes 14 sind selbstverständlich auch andere Ausführungen denkbar, die den gleichen Zweck erfüllen.

Claims (12)

1. Druckluftschrauber mit einem Druckluftmotor, einem Schrauberkopf und einem Getriebe zur Kraftübertra­ gung vom Motor zum Kopf sowie mit einer Steuervor­ richtung, welche zumindest einen einstellbaren Druckminderer zur Drehmomentbegrenzung umfaßt und welche ein manuelles Ein- und Ausschalten des Schraubers durch Öffnen bzw. Schließen eines Haupt­ luftventils in der Druckluftzuleitung zum Motor des Schraubers erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine Auslöseeinrichtung (22, 23) aufweist, welche bei Anstieg des Druckes in der Druckluftzuleitung (33) zum Motor (12) des Schraubers (1) vom dynami­ schen Druck bei laufendem Druckluftmotor (12) zum statischen Druck bei Bremsung oder Blockierung des Motors (12) infolge Erreichung eines bestimmten Drehmomentes, z. B. beim Festziehen einer Schraube, die Druckluftzufuhr zum Motor (12) des Schraubers (1) sperrt.

2. Druckluftschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Kraftübertragung vom Druckluft­ motor (12) zum Schrauberkopf (15) ein begrenzt- elastisches Zwischenglied (14) eingeschaltet ist.

3. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das begrenzt-elastische Zwischenglied (14) aus zwei Kupplungselementen (42; 43) besteht, nämlich einerseits einer Kurvenkrone (43) und andererseits einem auf der Krone (43) unter gegenseitiger axialer Verschiebung koaxial um einen begrenzten Winkelbetrag gleitbaren oder ab­ rollbaren Gegenstück (42) besteht, welche unter Federkraft aneinandergedrückt sind, und wobei das eine der Kupplungselemente (42, 43) mit der Ab­ triebsseite des Motors (12) oder des Getriebes (13) und das andere der Kupplungselemente (43, 42) mit der Antriebsseite des Getriebes (13) oder Schrauber­ kopfes (14) kraftschlüssig verbunden ist.

4. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (22, 23) einen Druckfühler (23) mit einstellbarer Ansprechschwelle aufweist.

5. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (2) vollständig mit pneumatisch arbeitenden Elemen­ ten (21, 22, 23) aufgebaut ist.

6. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckfühler (23) ein pneumatisches Reversierventil (23) ist, welchem ein von diesem pneumatisch betätigbares Luftventil (21) in der Druckluftzuleitung (33) zum Motor (12) des Schraubers (1) nachgeschaltet ist.

7. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Reversierventil (23) und Luftventil (21) ein selbsthaltendes Druck­ impuls-Umschaltventil (22) geschaltet ist.

8. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schrauber ein manuell betätigbares Tastventil (11) vorhanden ist, das eingangsseitig mit einer Druckluftquelle im wesentlichen gleichbleibenden Drucks verbunden ist und das ausgangsseitig mit dem Impulseingang des Umschaltventils (22) verbunden ist.

9. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (2) aus elektro-pneumatischen Elementen aufgebaut ist.

10. Druckluftschrauber nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckfühler ein elektropneumati­ sches Reversierventil ist, welchem ein von diesem elektromagnetisch betätigbares Luftventil in der Druckluftzuleitung zum Motor des Schraubers nachge­ schaltet ist.

11. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Reversierventil und Luftventil ein selbsthaltendes Spannungsimpuls- Umschaltrelais geschaltet ist.

12. Druckluftschrauber nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Schrauber ein manuell betätigbarer Tastschalter vorhanden ist, mittels welchem das Umschaltrelais umschaltbar und damit der Motor des Schraubers ein- und ausschaltbar ist.