DE4307131C2

DE4307131C2 - Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung

Info

Publication number: DE4307131C2
Application number: DE19934307131
Authority: DE
Inventors: Albert Kipfelsberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-06
Filing date: 1993-03-06
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2013-03-07
Also published as: DE4307131A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftschrauber mit elektroni scher Drehmomentbegrenzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anmeldung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geht aus von der vorveröffentlichten Schrift DE-AS 20 20 503. Dort ist ein Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung dargestellt, mit einer Antriebseinheit, mit einem der An triebseinheit nachgeschalteten Planetengetriebe, wobei das Planetengetriebe aus einem äußeren Getriebegehäuse und einem darin gelagerten Planetenradträger besteht, dessen Planetenrä der in einen inneren Zahnkranz des Getriebegehäuses als Son nenrad eingreifen und mit dem Planetenradträger eine Abtriebs welle verbunden ist, die ein nach außen vorstehendes, endsei tiges Ausgangswellenteil zum Aufstecken einer Schlüsselnuß aufweist. Zudem ist eine berührungslos arbeitende Drehmoment erfassung an der Abtriebswelle mit einer Auswerteelektronik und einer Abschalteinrichtung für die Antriebseinheit vorgese hen.

Der Aufbau der bekannten Schraubeinrichtung ist hier in der allgemein üblichen Weise so durchgeführt, daß das Planetenge triebe als separate Einheit hergestellt ist mit einem an bei den Endseiten gelagerten Planetenradträger. Zudem ist eine Ab triebswelle vorgesehen, die an einer Endseite des Planetenträ gers eingesteckt und dort drehfest verbunden ist. Die Ab triebswelle ist wiederum in einem vorderen und hinteren Be reich gelagert und als Meßwelle mit einer berührungslos arbei tenden Drehmomenterfassung ausgebildet.

Eine sogenannte schleifringlose Drehmomentmeßwelle ist aus der Zeitschrift Industrieller Fertigung 1973, S. 289 bis 292, Bild 8, vorbekannt. Diese Drehmomentmeßwelle trägt beidseiti ge Flansche und ist, ähnlich wie in der Anordnung der DE-AS 20 20 503 als Zwischenstück in einer Welle eines Dreh schraubers einsetzbar.

Aus der weiter vorbekannten DE-OS 25 58 251 ist insbesondere in Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus Drehmomenterfassung und Drehstellungserfassung an einer Schraubwelle gezeigt. Fig. 2 gibt jedoch keinen Hinweis auf eine konkrete mechanische Ausführung. Lediglich in Fig. 3 ist ein Wellenende mit einer Drehstellungserfassung in seinen Ein zelheiten dargestellt. Wie die Drehmomenterfassung hier ange bracht sein soll und wie eine Anbindung zum Getriebe erfolgt, ist hieraus nicht erkennbar.

Aus der DE-AS 20 20 503, Fig. 1, ist ersichtlich, daß die An ordnung in Form eines Planetengetriebes mit anschließender, separater Abtriebswelle als Drehmomentmeßwelle, z. B. in einer Anordnung unter Einsatz der vorgenannten schleifringlo sen Drehmomentmeßwelle, relativ lang baut und wenigstens vier Lagerstellen erfordert, nämlich zwei Lagerungen am Planeten radträger und zwei Lagerungen an der Drehmomentmeßwelle. Es handelt sich hier um ein stationäres Gerät, bei dem die Län genausdehnung weniger Bedeutung hat. Anders stellt sich dies bei einem Kraftschrauber als Handgerät dar, bei dem zur Be herrschung der Kräfte durch eine Bedienperson eine kompakte Gerätegröße in Verbindung mit einem günstigen Gewicht anzu streben ist. Zudem ist der Preis für die vielen Einzelteile, insbesondere die vielen Lagerstellen, hoch.

Eine lange Ausführungsform ist zudem zur Übertragung hoher Drehmomente weniger gut geeignet.

Durch die lösbare Einsteckverbindung zwischen dem Planetenge triebe und der Abtriebswelle sowie den insgesamt langen Auf bau besteht die Gefahr, daß Unwuchten und Querkräfte beim Schraubvorgang auftreten, die zu einer Meßunsicherheit und Meßverfälschung bei der Drehmomenterfassung führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen gattungsgemä ßen Kraftschrauber so weiterzubilden, daß bei kostengünstigem Aufbau eine kompakte Bauweise, insbesondere für ein Handge rät, möglich wird, die zur Übertragung hoher Drehmomente bes ser geeignet ist, weniger Lagerstellen aufweist und bei der die Gefahr von Meßunsicherheiten reduziert ist.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist das Getriebegehäuse über einen abstehen den Stützfuß extern abstützbar, wie dies bei einem Handgerät üblich ist.

Die Abtriebswelle ist am Planetenradträger integriert, wo durch ein einstückiges Wellenteil gebildet ist, mit einem Pla netenradbereich, einem daran anschließenden Wellenmittelteil und einem anschließenden Ausgangswellenteil.

Die Drehmomenterfassung ist auf dem von Getriebegehäuse umge benen Wellenmittelteil als Dehnungsmeßstreifenanordnung in einer Brückenschaltung aufgebracht. Die Energieversorgung die ser Brückenschaltung und ggfs. von weiteren Elektronikbautei len auf dem drehenden Wellenmittelteil erfolgt vom stationä ren Getriebegehäuse her berührungslos durch induktive Übertra gung, mittels einer Statorspule am Getriebegehäuse und einer Kotorspule am Wellenmittelteil.

Weiter ist am Wellenmittelteil eine Struktur für eine Dreh stellungserfassung angeordnet, die berührungslos abgetastet wird.

In einer Abschalteinrichtung umfaßt eine einstellbare Vorgabe einrichtung für ein bestimmtes Drehmoment sowie für einen Nachlaufweg.

Durch die Integration der Abtriebswelle am Planetenträger in Form eines einstückigen Wellenteils kann dieses mit lediglich zwei Lagerstellen ohne Platzbedarf für eine Einsteckverbin dung ausgeführt sein. Es ergibt sich daher eine einfache, ko stengünstige und kompakte Anordnung, obwohl im Wellenmittel teil eine Drehmomenterfassung und Drehstellungserfassung ange bracht sind. Diese Messungen sind damit nicht mehr an einem separaten Bauteil in der Art einer bisher üblichen Meßwelle angebracht, sondern praktisch in das Getriebe integriert, da wegen der einstückigen Ausführung des Wellenteils keine Unter scheidung zwischen Getriebe und Meßwelle mehr vorliegt. Durch den kompakten Aufbau ist insbesondere ein Handgerät gut zu be herrschen und für die Übertragung hoher Drehmomente geeignet. Da nur wenige Lagerstellen ohne Verbindung mehrerer Teile vor liegen, wird das Antriebsdrehmoment über das Getriebe gleich mäßig ohne mögliche Unwuchten und Querkräfte beim Schraubvor gang aufgebracht, so daß die Drehmomenterfassung gleichmäßig während der Umdrehungen erfolgt und damit Meßunsicherheiten reduziert sind.

Es ist somit die bisher übliche Anordnung eines separaten Ge triebes und einer nachgeschalteten Drehmomentmeßwelle aufgege ben und die Drehmomenterfassung einschließlich einer Drehstel lungserfassung unmittelbar dem Getriebe an einem Planetenrad träger zugeordnet, wodurch die vorstehend genannten Vorteile erzielbar sind.

Der erfindungsgemäße Kraftschrauber ist nach Anspruch 2 für unterschiedliche Antriebseinheiten, wie für einen Elektromo tor, einen Luftmotor oder einen Hydraulikmotor, geeignet.

In einer bevorzugten, konkreten Anordnung nach Anspruch 3 sind die Statorspule und die Rotorspule koaxial angeordnet, wodurch sich eine platzsparende Konstruktion bei guter Ener gieübertragung ergibt.

Die Struktur auf dem Wellenmittelteil kann nach Anspruch 4 aus gleichmäßig am Umfang verteilten Rillen bestehen. Diese können als eine Art Zahnkranz bereits beim Gießen des Plane tenradträgers geformt sein oder nachträglich als Nuten einge fräst werden.

In einer alternativen Ausführungsform kann nach Anspruch 5 die abtastbare Struktur aus einer mit dem Wellenmittelteil drehfest verbundenen und koaxial angeordneten Lochscheibe oder Zahnscheibe, bevorzugt in der Art eines auf das Wellen mittelteil aufsteckbaren Scheibenrings, bestehen. Je nach der verwendeten Abtasteinrichtung kann ein Aufbau mit solchen Scheiben meßtechnisch günstiger, konstruktiv einfacher und kostengünstiger sein als angebrachte Rillen am Wellenmittel teil.

An der Struktur kann auch die absolute Drehstellung erfaßt werden, wenn beispielsweise als Anfangsmarke für jede volle Umdrehung ein Zahn einer Zahnscheibe weggelassen wird. Zudem kann die Drehstellungserfassung vorteilhaft auch zur Ermitt lung der aktuellen Drehzahl, z. B. als Ist-Drehzahl, in einer Drehzahlregelung verwendet werden. Durch die Zurverfügungstel lung eines einfach ermittelbaren Ist-Drehzahlwerts und damit der Möglichkeit einer einfach realisierbaren Drehzahlregelung kann diese gemäß Anspruch 6 für eine weitere Steuerung und Be einflussung des Schraubvorgangs herangezogen werden.

Als berührungslos arbeitende Abtasteinrichtung wird nach An spruch 7 vorteilhaft ein an sich bekannter Induktivsensor und/oder optischer Sensor verwendet. Bei der Verwendung einer Lochscheibe oder Zahnscheibe werden vorteilhaft an sich be kannte, U-förmig ausgebildete Sensoren gemäß Anspruch 8 ver wendet, die den Randbereich der Lochscheibe oder der Zahn scheibe übergreifen, wobei die Loch- oder Zahnstruktur inner halb des U-Bereichs verläuft.

Oft sind Verschraubungen erforderlich, bei denen stets mehre re Schraubverbindungen in der gleichen geometrischen Anord nung vorliegen. Eine rationelle Verschraubung kann nach An spruch 9 so durchgeführt werden, daß mehrere Kraftschrauber auf einem Träger zu einer Mehrfach-Schrauberanordnung zusam mengefaßt sind, die dann gleichzeitig die Einzelverschraubun gen anziehen. Ein Problem besteht hier darin, daß nach der Ab schaltung die Kraftschrauber gegeneinander so verspannt sein können, daß sie nicht einfach mehr abgezogen werden können. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann auch dieses Problem durch einen geeigneten Einsatz der Nachlaufsteuerung in einer Mehrfach-Schraubersteuerung einfacher beherrscht werden.

Je nach Anwendungsfall besteht hier auch beim Einsatz die Mög lichkeit eines negativen Nachlaufs, d. h. einer genauen, ein stellbaren Rückdrehung über die Drehstellungserfassung.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung mit wei teren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen näher erläutert.

In der einzigen Fig. ist ein Querschnitt durch den Bereich eines Planetengetriebes 1 eines Kraftschraubers dargestellt. Das Planetengetriebe besteht aus einem äußeren Getriebegehäu se 2 und einem darin gelagerten Planetenradträger 3, der ein stückig als Wellenteil ausgebildet ist.

An dem der (nicht dargestellten) Antriebseinheit zugewandten Ende ist der Planetenradträger 3 als Käfigteil 4 ausgeführt, wobei an vier Fenstern 5 jeweils Planetenräder so gelagert sind, daß deren Zahnkränze durch die Fenster 5 vorstehen und an einem inneren Zahnkranz 6 des Getriebegehäuses 2 als Son nenrad eingreifen.

Zur Aufnahme der Reaktionskräfte ist an einer Verzahnung 7 am Getriebegehäuse 2 ein (nicht dargestellter) radial abstehen der Stützfuß aufsteckbar.

Das andere Ende des Planetenradträgers 3 ist als Ausgangswel lenteil 8 ausgebildet und steht mit einem Vierkant 9 zum Auf stecken einer Schlüsselnuß aus dem Getriebegehäuse 2 vor. Im Bereich des Ausgangswellenteils 8 und des Käfigteils 4 ist der Planetenradträger 3 über Wellendichtringe und Kugellager 10, 11 drehbar im Getriebegehäuse 2 gelagert.

Zwischen dem Käfigteil 4 und dem Ausgangswellenteil 8 befin det sich ein Wellenmittelteil 12 des einstückigen Planetenrad trägers 3. Auf dem Wellenmittelteil 12 sind in einer Brücken schaltung Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt; ein Bereich 13 ist dafür schematisch angedeutet. Die Dehnungsmeßstreifen sind Bestandteil einer Drehmomenterfassung, die zusätzlich weitere elektrische und elektronische Bauteile 14, insbesondere eine Gleichrichterschaltung, auf dem drehenden Wellenmittelteil 12 aufweist.

Die Energieversorgung dafür erfolgt berührungslos über eine Anordnung aus einer an der Innenseite des Getriebegehäuses 2 stationär angebrachten Statorspule 15 und einer koaxial dazu mit dem Wellenmittelteil 12 verbundenen Rotorspule 16. Die Energieübertragung erfolgt induktiv über eine in die Stator spule 15 eingespeiste Wechselspannung. Zudem kann über diese Anordnung auch die Meßinformation in eine stationär im Getrie begehäuse 2 (nicht im einzelnen dargestellte) und im Bereich 17 angeordnete Auswerteelektronik ausgelesen werden.

Für eine Drehstellungserfassung ist auf dem Wellenmittelteil 12 weiter ein Zahnscheibenring 18 aufgesteckt und zwischen zwei Ringteilen 19 drehfest auf dem Wellenmittelteil 12 gehal ten. Der Zahnscheibenring 18 läuft mit seiner Randverzahnung durch eine berührungslos arbeitende Abtasteinrichtung in der Form eines U-förmigen, optischen Sensors 20, der stationär im Getriebegehäuse 2 gehalten und mit der Auswerteelektronik ver bunden ist.

Weiter ist mit der Auswerteelektronik eine nicht im einzelnen dargestellte Abschalteinrichtung für die Antriebseinheit ver bunden, die eine einstellbare Vorgabeeinrichtung für ein be stimmtes Drehmoment und eine einstellbare Vorgabeeinrichtung für einen bestimmten Nachlaufweg umfaßt.

Die dargestellte Anordnung hat folgende Funktion: Vor einem Schraubvorgang werden das erforderliche Drehmoment sowie ein ggfs. erforderlicher Nachlaufweg an den entsprechenden Ein stellelementen eingestellt. Dann wird der Kraftschrauber auf die Verschraubung aufgesteckt und der Stützfuß gegen eine feste Abstützung bewegt. Nach dem Start der Antriebseinheit wird der Schraubvorgang ausgeführt und die Verschraubung ange zogen, wodurch das Drehmoment ansteigt und der Planetenradträ ger tordiert wird. Diese Torsion stellt ein Maß für das anlie gende Drehmoment dar, das über die Brückenschaltung der Deh nungsmeßstreifen erfaßt wird. Die Energieeinspeisung und Datenauslesung wird dabei berührungslos, wie oben beschrie ben, durchgeführt.

Der meßtechnisch erfaßte Drehmomentwert wird mit dem durch die Einstellung vorgegebenen Drehmomentwert verglichen. Bei Übereinstimmung beider Werte, z. B. bei einem Wert von 100 Nm, erfolgt ein internes Umschaltsignal für die Nachlaufsteue rung. Ausgehend von der gerade aktuellen Drehstellung wird nun der Planetenradträger noch um den eingestellten Nachlauf weg, z. B. 60°, weitergedreht. Dieser Nachlaufweg wird durch den Vorbeigang der Randverzahnung des Zahnscheibenrings 18 am optischen Sensor 20 ermittelt. Dazu wird durch jeden Zahn bzw. Zahnzwischenraum ein Impuls erzeugt, der in Verbindung mit dem bekannten Zahnabstand zu einer Wegmessung bzw. Dreh winkelmessung herangezogen wird. Nach dem Durchlaufen des ein gestellten Nachlaufwegs wird über eine (nicht im einzelnen dargestellte) Abschaltrichtung ein Schaltsignal zum Ausschal ten der Antriebseinheit und damit zur Beendigung des Schraub vorgangs abgegeben.

Claims

1. Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung,
mit einer Antriebseinheit,
mit einem der Antriebseinheit nachgeschalteten Planetenge triebe (1), wobei
das Planetengetriebe (1) aus einem äußeren Getriebegehäuse (2) und einem darin gelagerten Planetenradträger (3) be steht, dessen Planetenräder in einen inneren Zahnkranz (6) des Getriebegehäuses (2) als Sonnenrad eingreifen,
mit dem Planetenradträger eine Abtriebswelle verbunden ist, die ein nach außen vorstehendes, endseitiges Ausgangs wellenteil (8, 9) zum Aufstecken einer Schlüsselnuß auf weist,
mit einer berührungslos arbeitenden Drehmomenterfassung an der Abtriebswelle mit einer Auswerteelektronik und einer Abschalteinrichtung für die Antriebseinheit,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebegehäuse (2) über einen abstehenden Stütz fuß extern abstützbar ist,
daß die Abtriebswelle am Planetenradträger (3) integriert und ein einstückiges Wellenteil gebildet ist, mit einem Planetenradbereich, einem daran anschließenden Wellenmit telteil (12) und anschließendem Ausgangswellenteil (8),
daß für die Drehmomenterfassung auf dem vom Getriebegehäu se (2) umgebenen Wellenmittelteil (12) die Dehnungsmeß streifen (Bereich 13) einer Dehnungsmeßstreifen-Anordnung (DMS-Anordnung) in einer Brückenschaltung aufgebracht sind,
daß die Energieversorgung dieser Brückenschaltung und ggfs. von weiteren Elektronikbauteilen (14) auf dem drehen den Wellenmittelteil (12) vom stationären Getriebegehäuse (2) her berührungslos erfolgt, indem über eine am Getriebe gehäuse (2) angebrachte Statorspule (15) Energie auf eine am Wellenmittelteil (12) angebrachte Rotorspule (16) induk tiv übertragen wird und diese mit der Brückenschaltung ver bunden ist,
daß für eine Nachlaufsteuerung eine Drehstellungserfassung auf dem Wellenmittelteil (12) als eine am Umfang in be stimmten Abständen verteilte und sich mit dem Wellenmittel teil drehende Struktur (18) angeordnet ist,
daß im Getriebegehäuse (2) im Bereich dieser Struktur (18) eine stationäre, berührungslos arbeitende Abtasteinrich tung (20) zur Erfassung der Drehstellung dieser Struktur (18) als Winkelcodierer angeordnet ist,
daß der Abtasteinrichtung (20) eine Verarbeitungselektro nik nachgeschaltet ist und
daß die Abschalteinrichtung eine einstellbare Vorgabeein richtung für ein bestimmtes, mit der Drehmomenterfassung ermitteltes, Drehmoment und zusätzlich eine einstellbare Vorgabeeinrichtung für einen bestimmten, mit der Drehstel lungserfassung ermittelten Nachlaufweg umfaßt und eine Ab schaltung der Antriebseinheit nach der Ermittlung des ein gestellten Drehmoments und einem anschließenden Weiterdre hen um den eingestellten Nachlaufweg erfolgt.

2. Kraftschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit ein Elektromotor oder ein Luft motor oder ein Hydraulikmotor ist.

3. Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Statorspule (15) und die Rotorspule (16) ko axial angeordnet sind.

4. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur auf dem Wellenmittelteil aus gleichmäßig am Umfang verteilten Rillen besteht.

5. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur aus einer mit dem Wellen mittelteil (12) drehfest verbundenen und koaxial angeordne ten Lochscheibe oder Zahnscheibe, bevorzugt in der Art eines aufgesteckten Zahnscheibenrings (18), besteht.

6. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellungserfassung in Verbin dung mit einer Zeitbasis für eine Ermittlung der aktuellen Drehzahl verwendet wird und ein Ist-Drehzahlwert für eine Drehzahlregelung zur Verfügung gestellt wird.

7. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung ein Induktivsen sor und/oder optischer Sensor (20) ist.

8. Kraftschrauber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (20) einen Teil der Lochscheibe oder des Zahnscheibenringes (18) U-förmig übergreift.

9. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kraftschrauber zu einer Mehr fachschrauberanordnung zusammengefaßt sind und die einzel nen Abschalteinrichtungen in einer Mehrfachschraubersteue rung verbunden sind.