DE3688065T2 - Schleifringanordnung fuer drehmomentwandler. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Drehmomentenwandler zur Anwendung beispielsweise bei der Verbesserung des Anziehens von Muttern und Bolzen auf einen zuverlässigen Standard. Die Wandler können angewandt werden, um die Werkzeuge zu kalibrieren, die für das Anziehen verwendet werden, oder können kombiniert werden als Zubehör oder als integraler Bestandteil des Werkzeugs.
• Die Drehmomentenmessung durch Dehnungsmeßstreifen, die an drehmomentenübertragenden Wellen befestigt sind, ist einem Signalrauschen ausgesetzt als Resultat der Änderung des Schleifring- Bürstenkontaktes. Das Rauschen kann besonders aufdringlich sein, wenn ein Stoß- oder ein Impulsdrehmoment plötzlich angreift und die Welle für kurze Zeitdauer unter beachtliche Beanspruchung setzt.
• Die US-Patentschrift 4,544,039 beschreibt ein System auf Bürstenbasis, bei dem eine spezielle, elastische Lagerung der Bürsten verwendet wird, um ein Signalrauschen zu vermeiden. Das System ist recht komplex. Die DD-A-65060 beschreibt einen Drehmomentenwandler, bei dem ein Federriemen das Dehnungsmeßstreifensignal einer Führungsrolle zuführt, von wo aus es von einer inneren Hülse abgenommen wird.
• Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung wird anvisiert, derartige Drehmomentenwandler zu verbessern. Die Erfindung schafft gemäß eines zweiten Aspektes eine Schleifring-Bürstenanordnung, die außerhalb des Gebietes der Drehmomentenwandlung in anderen Einsatzfällen nützlich sein kann, insbesondere, bei denen Wellen sich intermittierend drehen.
• Die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 6 schlägt zunächst einen Drehmomentenwandler vor, mit einer durch ein Drehmoment verformbaren Welle sowie einem Dehnungserfassungsmittel darauf, wobei ein drehmomentenbezogenes Signal von der Welle über einen Schleifring auf der Welle und über eine Bürstenanordnung übertragbar ist, wobei diese Bürstenanordnung einen flexiblen Streifen beinhaltet, der unter Spannung gegen die Schleifringperipherie gezogen wird. Durch die Verwendung eines flexiblen Streifens, der um einen Schleifring herumgewunden ist, kann ein elektrischer Kontakt aufrechterhalten werden, selbst wenn die Welle ein Drehmoment intermittierend überträgt. Es wird davon ausgegangen, daß es nur eine minimale Wahrscheinlichkeit für den Verlust des Kontaktes aufgrund eines Springen des Streifens gibt. Wenn der Streifen versucht, von dem Schleifring abzuheben an einer Position, wird sich der Kontaktdruck an anderer Stelle voraussichtlich sich erhöhen. Der Streifen kann quer zu der Welle oszillieren, um jegliche Wellenlauftoleranzen aufzunehmen, ohne dabei den Kontakt zu verlieren. Ein niedriger Rauschabstand ist erzielbar, der die Übertragung eines nicht verstärkten, drehmomentenbezogenen Signals mittels der Schleifring/Bürstenanordnung erleichtert, was wiederum einen kompakten Aufbau der drehbaren Teile fördert.
• Der Streifen kann in Kontakt mit dem Schleißring über einen großen Winkel von wenigstens 180º, vorzugsweise wenigstens 250º stehen. Die streifenenden können dann in nächster Nähe an einer Seite des Schleifrings verankert sein, wobei der Streifen mit der anderen Seite des Schleifringes in Eingriff steht.
• Der Streifen kann in einem elektrischen Kontakt mit dem Schleifring an beabstandeten Positionen stehen, stellt aber vorzugsweise eine kontinuierliche elektrische Kontaktfläche zu Verfügung.
• Der flexible Streifen ist vorzugsweise von einfachem, laminiertem Aufbau mit einem flexiblen, nicht leitendem und hinreichend verformbarem Unterlegstreifen, der mittels eines zweiseitigen Klebers mit einer Schicht von im wesentlichen reinem Kohlenstoff zur Kontaktierung des Schleifringes verbunden ist. Der Streifen paßt ohne weiteres an die Schleifringperipherie. Der Kohlenstoff weist eine niedrige Reibung auf und eine leichte mechanische Spannung kann angewandt werden. Die Klebeflächen werden zwangsweise zusammengeführt als Ergebnis der mechanischen Spannung. Das Kohlenstoffmaterial liegt zwischen dem Unterlegstreifen und dem Schleifring, so daß ein guter elektrischer Kontakt erzielt wird. Wenn die Kohlenstoffschicht völlig abgetragen ist, wird der verformbare Unterlegstreifen den Schleifring nicht beschädigen.
• Vorzugsweise ist ein Ende des Streifens befestigt an und elektrisch verbunden mit einem zugehörigen Schaltkreis, während das andere Ende so plaziert ist und gezogen wird, um den Streifen in den Schleifring zu spannen.
• Vorzugsweise ist der flexible Streifen an einem Ende in Lage gehalten durch ein elektrisch leitendes Teil und der flexible Streifen wird am anderen Ende durch ein elastisches Mittel, beispielweise eine Feder, zurückgehalten. Vorzugsweise ist die Anordnung so, daß die Reibung im beabsichtigten gebräuchlichen Drehsinn zum Einsatz eines Befestigungsmittel den flexiblen Streifen weg von dem eingespannten Ende zieht. Vorzugsweise sind beide Enden des flexiblen Streifens in einem gemeinsamen Block gelagert, um so wenigstens die Hälfte der Schleifringperipherie zu umfassen, und der gemeinsame Block weist bogenförmige, periphere Vertiefungen zur Aufnahme einer Zugfeder auf, die mit einem Ende des flexiblen Streifen und mit einer Vertiefung verbunden ist, um das andere Ende des flexiblen Streifens in enger Nähe zu dem Schleifring zu halten. Ein großer Kontaktwinkel kann so in einfacher Weise erzielt werden. Vorzugsweise sind die Schleifringe getrennt durch hervorstehende Teile angeordnet zur Führung der flexiblen Streifen und zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung mit den Schleifringen. Somit legt die Schleifringanordnung die flexiblen Streifen axial fest. Der Aufbau mit gemeinsamen Block kann für eine Reihe von Wellengrößen verwendet werden, so daß eine Massenproduktion erleichtert wird.
• Vorzugsweise sind die Schleifringe Teil eines Unteraufbaus, der in einer stoßauffangenden Weise an das Ende der Welle montiert ist, die das Eingangsdrehmoment von beispielsweise einem Antriebswerkzeug aufnimmt, und ein isolierender Keil, der in Keilnuten in den Schleifringen eingreift, ist vorgesehen, um die Schleifringe in Position zu halten. Somit trägt der Schleifringaufbau zu der Kompaktheit und zu einem zuverlässigen Betrieb des Drehmomentenwandlers zur Messung von plötzlich auftretenden Eingangsdrehmomenten bei.
• Der isolierende Keil kann in einer Hülse aufgenommen sein, die auf dem Ende der Welle gelagert ist. Die Streifenspannung verändert sich nicht merklich, wenn Abrieb auftritt, so daß ein beständiger Betrieb möglich ist. Es wird davon ausgegangen, daß die Bildung von Abriebsteilchen gering ist und den mechanischen und elektrischen Betrieb nicht sofort herabsetzt. Die flexiblen Streifen können schnell und billig hergestellt sein und ersetzt werden durch einen Laminationsprozeß.
• Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Drehmomentenwandler gemäß der Erfindung,
• Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch den Drehmomentenwandler aus Fig. 1, jedoch ohne Bürstenanordnung,
• Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der Bürstenanordnung des Drehmomentenwandlers aus Fig. 1,
• Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf Teile der Bürstenanordnung des Drehmomentenwandlers gemäß Fig. 1,
• Fig. 5 ein Blockschaltplan des Steuerungssystems für den Drehmomentenwandler aus Fig. 1, und
• Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Drehmomentenwandlers im Einsatz.
• Ein Gehäuse 1 des Drehmomentenwandlers lagert eine Welle 2 zwischen einer eingangsseitigen Lageranordnung 4 und einer ausgangsseitigen Lageranordnung 6. Die Welle 2 weist einen durch ein Drehmoment verformbaren, abgesetzten Abschnitt 8 auf. Ein Schlag- oder Impulswerkzeug kann mit dem eingangsseitigen Ende 5 der Welle 2 für Werkzeuge verbunden werden und die Welle weist ein Ende 7 auf, welches einen Ausgang für einen Steckschlüsseladapter für ein Befestigungsmittel, wie zum Beispiel eine Schraubenmutter, bildet. Dehnungsmeßstreifen 10 und 12 sind mit dem abgesetzten Abschnitt 8 verbunden und eine Verdrahtung 18 ist von den Dehnungsmeßstreifen 10, 12 über Lötflächen 14, 16 durch einen ausgesparten Wellenabschnitt zur Verbindung mit einem Schleifringaufbau 20 geführt. Eine Bürstenanordnung 22 (vgl. Fig. 1) ist mit dem Gehäuse 1 verschraubt und umfaßt vier flexible Streifen 24, die über Zugfedern 26 an ihrem einen Ende mit Stiften 28 verbunden sind und die mit dem anderen Ende über metallische, elektrisch leitende Klemmteile 30 und eine Schraube 32 mit dem Körper 37 der Bürstenanordnung verbunden sind. Die Verdrahtung 34, die mit den Klemmteil 30 verbunden ist, ist über eine Verkabelung mit einem zugehörigen Schaltkreis verbunden, der sich außerhalb des Drehmomentenwandlers befindet. Eine Vergußmasse ist vorgesehen und bei 36 dargestellt, um die Verdrahtung 34 und die Verdrahtung 18, wo gewünscht, festzulegen, um so eine gesamthafte Anordnung zu erzeugen, die mechanisch resistent gegenüber einer plötzlich auftretenden Drehmomenteneinwirkung zu machen.
• Nachfolgend werden die Bestandteile des Drehmomentenwandlers etwas genauer beschrieben. Die flexiblen Streifen 24 der Bürstenanordnung 20 (Fig. 4) weisen einen Unterlegstreifen 38 aus einem verformbaren Material auf, an das mittels eines doppelseitigen Klebebandes 40 ein Streifen 42 eines Carbonmaterials mit einem Reinheitsgrad von im wesentlichen 99% angebracht ist. Das Ende des Streifens 24, das mit der Feder 26 verbunden ist, ist durch einen Metallstreifen 44 verstärkt. Die Dicke der verschiedenen Schichten ist so gewählt, daß der Streifen sich leicht biegen wird, um sich an die Schleifringperipherie anzupassen, ohne dabei zu brechen oder zu knicken.
• Der Bürstenblock oder -körper 37 (Fig. 1 und 3) weist bogenförmige Vertiefungen 48 für die Aufnahme der Feder 26 auf, um so die Anwendung einer ausreichend langen Feder zu ermöglichen. Der Block 37 weist an der Vorderseite an der Stelle, an der die Klemmteile 30 die flexiblen Streifen 24 halten, einen Schlitz 50 auf. Die Schrauben, die die Bürstenanordnung am Gehäuse 1 halten, sind bei 54 gezeigt.
• Die Schleifringanordnung 20 (Fig. 1 und 2) weist eine Hülse 56, die in bezug auf das Ende 7 frei drehbar oder darauf gelagert und daran befestigt ist, beispielsweise mittels eines Stiftes 72 zum werkzeugende 5, auf. Die Hülse 56 ist durch ein verformbares, isolierendes Material bedeckt, das einen isolierenden Paßradius bei 62 für die Schleifringe 58 bildet und eine Schulter 64 bildet, um die Schleifringe axial festzulegen. Die vier Schleifringe 58 sind voneinander getrennt mittels Abstandshaltern 60 aus elektrisch isolierendem Material. Die Schleifringe 58 weisen eine Ausnehmung auf, die einen Kanal für die Verdrahtung bildet, die zu den Dehnungsmeßstreifen 10, 12 führt. Die Schleifringe haben weitere Ausnehmungen, die eine Keilnut für einen Keil 68 aus einem isolierenden Material bilden. Die Schleifringe 58 und die Abstandshalter 60 sind zusammen gegen die Schulter 64 mittels einer Sicherungsmutter 70 festgelegt, die so angeordnet ist, daß sie dazu neigt, auf die Einleitung eines plötzlichen Drehmomentes hin fester zu sichern, wenn ein Drehmoment mit dem Drehsinn eingeleitet wird, wie normalerweise für die Sicherung von Befestigungsmitteln verwendet wird. Im Einsatz wird die Bürstenanordnung durch eine Abdeckung 76 geschützt.
• Der flexible Streifen hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Ein guter Kontakt mit den Schleifringen 58 kann bei einer relativ niedrigen, von der Feder 26 eingeleiteten Spannung erzielt werden. Es gibt fast einen 270º Kontakt zwischen dem Streifen 24 und den Schleifringen 58.
• Ein bedeutsames, drehmomentenbezogenes Signal kann erhalten werden, das nicht wesentlich durch Rauschen aufgrund des Bürsten-Schleifringübergangs beeinflußt ist. Während es bevorzugt wird, die Schleifringe in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 in der Richtung zu drehen, die normalerweise verwendet wird, um Verbindungselemente anzuziehen, so daß der Bremseffekt auf die Schleifringe 58 dazu neigt, den Streifen in Richtung auf das abgefederte Streifenende zu bewegen, kann der Drehmomentenwandler auch verwendet werden, wenn die Welle 2 in entgegengesetzter Richtung gedreht wird. Ein Paar von Dehnungsmeßstreifen 10, 12 des Typs doppelter 45º Torsion ist dargestellt, so daß das Gerät unterscheiden kann zwischen Drehmomenten, die in entgegensetzter Drehrichtung eingeleitet werden. Die Dehnungsmeßstreifen 10, 12 sind durch die Schleifringe/Streifen verbunden mit einem elektronischen Schaltkreis in einer Wheatstone- Brückenverschaltung außerhalb der rotierenden Welle. Fig. 5 zeigt schematisch ein Drehwerkzeug 100, das mit dem werkzeugseitigen Ende 5 und einer Mutter 102 verbunden ist, welche durch das Ausgangsende 7 angetrieben wird. Die Dehnungsmeßstreifen 10, 12 des Drehmomentenwandlers in der Wheatstone- Brückenverschaltung geben ihren Ausgang auf vier Kanäle, die von den Schleifringen und Streifen gebildet sind, zu einem Schaltkreis 101, um ein Signal zu erzeugen, das indikativ für das tatsächliche Drehmoment ist. Das Signal kann durch ein RC-Netzwerk 104 geleitet werden, um so ein Rauschen auszufiltern und um das tatsächliche Drehmomentensignal zu modulieren, so daß es proportional zu dem Drehmoment ist, welches an der Mutter wirkt (vgl. US-PS 4,544,039). Dieses Signal des Wirkdrehmomentes wird dann einem Komparator 106 zugeführt, welcher das Signal mit einem einstellbaren Referenzsignal aus 108 vergleicht, um den Werkzeugantriebssteuerschaltkreis 110 abzuschalten, wenn das Niveau des Referenzsignals erreicht worden ist.
• Derselbe Aufbau der Bürstenanordnung kann für eine Vielzahl von Wellengrößen verwendet werden. Das Gehäuse 1 muß dann angepaßt werden, um größere oder kleinere Wellengrößen lagern zu können, jedoch kann dieselbe Bürstenanordnung 22 verwendet werden unter der Voraussetzung der Verwendung von Streifen 24 geeigneter Länge und möglicherweise der Veränderung der Federn 26, um so den erwünschten Berührungsdruck zwischen den flexiblen Streifen 24 und den Schleifringen 58 bereitzustellen.
• Typischerweise reicht die Maximalspannung von 75 g bis 150 g, wobei die unteren Spannungswerte für kleinere Schleifringdurchmesser, die auf den Wellen sitzen und einen verformbaren Abschnitt von 10 mm Durchmesser aufweisen, und die hohen Spannungswerte für verformbare Abschnitte von 20 mm Durchmesser gelten. Die Federkonstanten können von 0,005 kg/mm für kleinere Durchmesser bis 0,020 kg/mm für die größeren Durchmesser reichen. Die kleineren Betriebsspannungen, die mit einer praktisch ringförmigen Streifenanordnung gekoppelt sind, sorgen für extrem kleine außermittige Lasten auf den Schleifringen, die infolgedessen so hergestellt und abgestützt werden können, daß eine leichte Gesamtkonstruktion erzielt wird.
• Demnach schafft die Erfindung einen kompakten Drehmomentenwandler, der eine zuverlässige Drehmomentenmessung bei niedrigen Kosten ermöglicht.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 6, wird das Werkzeug 100 angetrieben über einen Schlauch 112. Der Ausgang des Wandlers 1 wird über das Kabel 114 zu einem Kasten 116 weitergeleitet, der den Schaltkreis - wie anhand der Fig. 5 beschrieben - enthält. Es kann bemerkt werden, daß der Wandler 1 kompakt ist. In abgeänderten Anordnungen können der Schaltkreis und das Display des Kastens 116 selbstverständlich integriert sein in dem Werkzeug 100.
• Es ist auch möglich, eine Druckfeder anstelle einer Zugfeder zu verwenden. In diesem Falle ist vorzugsweise ein Kernelement vorgesehen, das durch die Mitte der Druckfeder verläuft, um dem Streifen Spannung zu verleihen.
• Edelmetall (wie beispielsweise Hartgold) kann verwendet werden, um die Schleifringe zu bedecken. Dies verbessert den Korrosionswiderstand und gestattet es, daß der Drehmomentenwandler für genaue Messungen nach einer längeren Ruheperiode verwendet werden kann. Der Bürstenblock besteht vorzugsweise aus Nylon, Azetal oder PTFE-Material oder aus anderem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten, um die Reibung zwischen der Feder und dem Bürstenblock zu minimieren.
• Die Schleifring- und Bürstenanordnung sind beschrieben worden als Teil eines Drehmomentenwandlers zur Aufnahme eines Werkzeugs herkömmlichen Aufbaus. Die Anordnung kann aber auch verwendet werden als Teil einer ortsfesten Vorrichtung zum Kalibrieren des verfügbaren Ausgangs von Stoß- oder Schlagwerkzeugen. Die Anordnung könnte auch als integraler Bestandteil eines je nach Zweck aufgebauten Werkzeugs sein.
• Die Schleifen- und Bürstenanordnung könnte auch von Nutzen sein außerhalb des Gebietes der Drehmomentenwandler, um die elektrische Energie oder Signale zu oder von einer rotierenden Welle zu übertragen.

Claims (8)

1. Drehmomentenwandler umfassend:

eine durch Drehmoment verformbare Welle (8,2), an der Welle angebrachte Dehnmeßmittel (10,12) zur Erzeugung eines drehmomentenbezogenen Signals, Schleifringmittel (58), die zur gemeinsamen Drehung mit der Welle für die Aufnahme des Signals angebracht sind, sowie Schleifbürstenmittel (22) zur elektrischen Kontaktierung mit dem Schleifringmittel, die so angebracht sind, daß das erzeugte Signal an verbundene Schaltkreismittel übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifbürstenmittel einen flexiblen Streifen (42) aus Kohlenstoffmaterial, das auf einen flexiblen Unterlegstreifen (38) laminiert ist, der an einem Ende an einer ortsfesten Aufnahme (37, 30) verankert ist und der das Schleifringmittel in streifender Berührung teilweise umgreift, sowie Spannmittel (26) zum Spannen des laminierten Streifens, um das Kohlenstoffmaterial gegen den Umfang des Schleifringmittels zu ziehen, umfaßt.

2. Drehmomentenwandler nach Anspruch 1, bei dem der Unterlegstreifen (38) aus Kunststoffmaterial besteht.

3. Drehmomentenwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Unterlegstreifen (38) und der Kohlenstoffstreifen (42) mittels eines doppelseitigen Klebestreifens (40) miteinander laminiert sind.

4. Drehmomentenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kohlenstoffstreifen aus einem Kohlenstoffmaterial besteht, das einen Reinheitsgrad von im wesentlichen 99% aufweist.

5. Drehmomentenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ortsfeste Aufnahme (37, 30) ferner umfaßt:

einen Aufnahmekörper (37) für den flexiblen laminierten Streifen (38), und ein Spannelement (30) aus elektrisch leitendem Werkstoff zur Befestigung des genannten einen Endes des laminierten Streifens am Aufnahmekörper und zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit dem aus Kohlenstoffmaterial bestehenden Streifen (42), um das Signal an den damit in Verbindung stehenden Schaltkreis zu übertragen, und bei dem das Spannmittel (26) elastische Mittel umfaßt, die zwischen dem Spannmittel und einem zweiten Ende des flexiblen laminierten Streifens unter Spannung stehen, um den laminierten Streifen zu spannen.

6. Drehmomentenwandler, umfassend: eine durch Drehmoment verformbare Welle (8, 2), an der Welle angebrachte Dehnmeßmittel (10, 12) zur Erzeugung eines drehmomentenbezogenen Signals, Schleifringmittel (58), die zur gemeinsamen Drehung mit der Welle für die Aufnahme des Signals angebracht sind, sowie Schleifbürstenmittel (22) zur elektrischen Kontaktierung mit dem Schleifringmittel, die so angebracht sind, daß das erzeugte Signal an verbundene Schaltkreismittel übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifbürstenmittel eine Mehrzahl flexibler Streifen (42) aus Kohlenstoffmaterial, die jeweils an flexible Unterlegstreifen (38) laminiert sind, die an einem Ende an einer gemeinsamen ortsfesten Aufnahme (37, 30) verankert sind, und die das Schleifringmittel in streifender Berührung teilweise umgreifen, sowie Spannmittel (26) zur individuellen Anspannung der genannten flexiblen laminierten Streifen, um das Kohlenstoffmaterial gegen den Umfang des Schleifringmittels zu ziehen, umfaßt, wobei die flexiblen laminierten Streifen jeweils eine Länge aufweisen, die mindestens den halben Umfang des Schleifringmittels umfaßt.

7. Drehmomentenwandler gemäß Anspruch 6, bei dem die gemeinsame ortsfeste Aufnahme (37,30) einen gemeinsamen Aufnahmekörper (37) aufweist, der eine Mehrzahl bogenförmiger, peripherer, jeweils einem flexiblen laminierten Streifen (42) zugeordneter Vertiefungen (48), sowie für jeden flexiblen laminierten Streifen Spannmittel (30) aufweist, die im Aufnahmekörper eingelassen und mit ihm zur Befestigung eines ersten Endes des jeweiligen laminierten Streifens am Aufnahmekörper befestigt sind, und bei dem das Spannmittel (26) eine Zugfeder in jeder der Vertiefungen umfaßt, wobei jede Spannfeder an einem Ende am gemeinsamen Aufnahmekörper und am anderen Ende an einem jeweilig zugeordneten flexiblen laminierten Streifen verankert ist.

8. Drehmomentenwandler gemäß Anspruch 7, bei dem das Schleifringmittel (58) eine Mehrzahl von Schleifringen aufweist, die durch hervorstehende Teile (60) getrennt sind, die für eine gemeinsame Drehung mit den Schleifringen angeordnet sind und die zur Führung der flexiblen laminierten Streifen (42) zwischen nebeneinanderliegenden Schleifringen hervorstehen, um die Ausrichtung zwischen den flexiblen laminierten Streifen und ihren jeweils zugeordneten Schleifringen aufrechtzuerhalten.