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Die Erfindung befaßt sich mit einem Motorschraubenschlüssel
für ein zweistufiges Anziehen von Schraubverbindungen,
vergleiche z. B. EP-A-0 271 903 und den Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Bei Motorschraubenschlüsseln der obigen Art besteht ein
Problem darin, ein Überanziehen sogenannter steifer
Verbindungen zu vermeiden, d. h. von Schraubenverbindungen mit
einer steilen Drehmoment-Anstiegscharakteristik in Bezug
auf den Drehwinkel. Durch ein Aufspalten des
Anzugsverfahrens in zwei Schritte, von welchen der erste Schritt ein
einleitender Mochgeschwindigkeitsschritt ist, der bei einem
Anlage-Drehmomentniveau endet, und der zweite Schritt ein
abschließender Schritt mit niedriger Geschwindigkeit und
hohem Drehmoment ist, der in dem gewünschten Anzugszustand
endet, wird vermieden, daß die
Mochgeschwindigkeits-Trägheitskräfte der rotierenden Teile des Schraubenschlüssels
eine unerwünschte Erhöhung des beabsichtigten endgültigen
Drehmomentniveaus verursachen.
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Das zweistufige Anzugsverfahren als solches ist jedoch
keine Garantie, daß das gewünschte endgültige
Drehmomentniveau beim Anziehen sehr steifer Verbindungen nicht
überschritten wird. In solchen Fällen ist es erforderlich, daß
auch der erste Schritt sehr schnell beendet wird, um
sicherzustellen, daß die Trägheitskräfte der rotierenden
Teile des Schraubenschlüssels kein erhöhtes endgültiges
Drehmomentniveau verursachen.
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Ein bisher bekannten Motorschraubenschlüsseln anhaftendes
Problem liegt darin, daß entweder die Unterbrechung des
abgegebenen Drehmoments nicht schnell genug erfolgt, und daß
durch solche Motorschraubenschlüssel ein
Drehmomentüberschuß beim Anziehen sehr steifer Verbindungen nicht
verhinderbar ist, oder daß eine zusätzliche Drahtverbindung mit
dem Werkzeug zur Verbindung geschwindigkeitserfassender
Mittel an dem Werkzeug mit der
Leistungsversorgungseinrichtung benötigt wird.
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In der oben erwähnten EP-A-0 271 903 wird eine elektrisch
angetriebene, zweistufig anziehende Vorrichtung
beschrieben, bei welcher das Anlageniveau von einem
Geschwindikeitssensor erfaßt wird, der in der Nähe eines der durch
den Motor angetriebenen Teile angebracht ist. Wenn sich der
Motor dreht, sendet dieser Sensor Impulse aus, und die
Frequenz dieser Impulse wird in eine Spannung umgeformt,
welche die Drehgeschwindigkeit des Motors wiederspiegelt.
Mittels eines Differentialverstärkers wird die Ableitung der
die Geschwindigkeit wiederspiegelnden Spannung gebildet.
Eine positive Ableitung zeigt eine Beschleunigung der
Motorgeschwindigkeit und ein negativer Wert der Ableitung
eine Verlangsamung an. Nachdem das Anlageniveau erreicht
worden ist, wird die Motorgeschwindigkeit reduziert und das
Anziehen bei einer niedrigeren Geschwindigkeit vollendet.
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Ein weniger vorteilhaftes Merkmal dieser bekannten
Vorrichtung besteht darin, daß die Anordnung des
Geschwindigkeitssensors eine zusätzliche Verdrahtung zur Verbindung mit der
Steuer- und Leistungsversorgungseinrichtung erfordert. Dies
führt dazu, daß handgestützte Werkzeugversionen schwieriger
zu handhaben sind und stärker Beschädigungen an den Teilen
der Verdrahtung und daraus folgend auch der Funktion der
Erfassung des Anlageniveaus ausgesetzt sind.
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Eine Lösung des Verdrahtungsproblems, die möglich
erscheint, besteht darin, einen Geschwindigkeitssensor in
Form von die Motorfrequenz erfassenden Mitteln vorzusehen,
die in der Leistungsversorgungseinrichtung untergebracht
sind, und Verlangsamungen der Motorgeschwindigkeit zu
errechnen. Dieses Verfahren ist jedoch zum Erzielen eines
Anlageniveau-Signals nicht schnell genug, weil, wenn z. B.
ein Asynchronmotor verwendet wird, zwischen der
Antriebsfrequenz und der Motorgeschwindigkeit ein Schlupf auftritt.
Dieser Schlupf der eine Art "Verlustbewegung" darstellt,
würde eine unerwünschte Verzögerung im
Frequenzänderungssignal und dementsprechend eine zu späte Unterbrechung der
Drehmomentabgabe verursachen.
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Um schnell reagierende Auslösemittel zur
Leistungsabschaltung zum Unterbrechen des ersten
Hochgeschwindigkeits-Anzugsschrittes zu erhalten, setzt die Erfindung mechanische,
auf Verzögerung reagierende Auslösemittel ähnlich der Art
ein, die zuvor in Schlagschraubern verwendet wurde (siehe
z. B. die US-2 768 546).
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen
Motorschraubenschlüssel, der von einem Leistungswandler mit variablem
Spannungs- und Frequenzausgang mit Leistung versorgt wird,
wobei der Leistungswandler stromabhängige Mittel zum
Erzielen einer Leistungsabschaltung aufweist, wenn ein
gewünschtes endgültiges Anzugsniveau erreicht ist. Diese gehören
als solche zum Stand der Technik und werden von der Firma
Atlas Copco unter dem Namen Tensor A-CC-Antrieb vermarktet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen
Motorschraubenschlüssel zum zweistufigen Anziehen von
Schraubverbindungen zu schaffen, bei welchem sogar bei sehr
steifen Schraubverbindungen ein Drehmomentüberschuß sicher
vermieden wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung weist eine Kombination
von verzögerungsabhängigen Schaltmitteln, die dem
Motorrotor des Werkzeugs zum Auslösen der Unterbrechung des
einleitenden Anzugschrittes zugeordnet sind, und
stromabhängige Mittel zur Leistungsabschaltung auf, die dem
Leistungswandler zum Beenden des abschließenden Anzugsschrittes
zugeordnet sind.
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Weitere Ziele und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden, detaillierten Beschreibung. Es zeigen:
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Fig. 1 eine unvollständige Ansicht eines
erfindungsgemäßen
Motorschraubenschlüssels im Ruhezustand oder bei konstanter
Geschwindigkeit;
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Fig. 2 den Motorschraubenschlüssel nach Fig. 1
während der Verzögerung;
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Fig. 3 in größerem Maßstab das
Trägheitselement;
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Fig. 4 in größerem Maßstab Einzelheiten der
Steuer- und
Leistungsversorgungseinrichtung.
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Der in den Zeichnungen dargestellte Motorschraubenschlüssel
ist ein Winkelschrauber zum zweistufigen Anziehen von
Gewindeverbindungen, der von einem elektrischen
Wechselstrommotor 10 angetrieben wird. Der Motor 10, der ein
Asynchronmotor ist, wird von einer Steuer- und
Leistungsversorgungseinrichtung 11 mit elektrischer Leistung versorgt. Wie oben
erwähnt, entspricht die Versorgungseinrichtung dem Stand
der Technik und ist als Tensor A-CC-Antrieb bekannt, der
von der Firma Atlas Copco vermarktet wird. Diese
Steuer- und Versorgungseinrichtung besitzt einen
Festkörper-Wechselrichter 51 zur Abgabe eines Wechselstromes variabler
Frequenz und Spannung an den Motor 10 ebenso wie Mittel zum
Steuern des Wechselrichters in Abhängigkeit von Signalen,
die von stromerfassenden Mitteln innerhalb der Einheit 11
und von einem in dem Werkzeuggehäuse 13 angeordneten
Schalter 12 erhalten werden.
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Die Steuer- und Leistungsversorgungseinrichtung 11 ist
entfernt von dem Werkzeug angeordnet und steht mit ihm über
Leistungsversorgungszuleitungen 15, 16, die an den Motor 10
angeschlossen sind, und Signaldrähte 17, 18, die an den
Schalter 12 angeschlossen sind, in Verbindung. Ein manuell
betätigbarer Schalter 19 (in den Zeichnungen nur
schematisch dargestellt) für den vom Benutzer gesteuerten Start
der Leistungsversorgung des Motors 10 ist an dem
Werkzeuggehäuse 13 befestigt. Der Schalter 19 wird durch einen
Hebel 20 betätigt und ist über Drähte 21, 22 mit der
Steuer- und Leistungsversorgungseinrichtung 11 verbunden.
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Die Steuer- und Leistungsversorgungseinrichtung 11 ist von
vorbekannter Art und bildet selbst keinen Teil der
vorliegenden Erfindung. Deshalb wird sie nicht im Detail
beschrieben. Die Hauptteile der Einrichtung 11, wie sie in
Fig. 4 dargestellt ist, bestehen aus einem Gleichrichter
50, der an eine externe Wechselspannungsquelle
angeschlossen wird, und einem computergesteuerten Wechselrichter 51,
der mit dem Gleichrichter 50 ebenso wie mit dem
Motorschraubenschlüssel über die Zuleitungen 15 bis 18, 21, 22
verbunden ist. Ein niederohmiger Widerstand 52 ist im
Gleichstromteil zwischen dem Gleichrichter 50 und dem
Wechselrichter 51 vorgesehen, wobei der Spannungsabfall an
dem Widerstand 52 als Hinweis auf den Motorstrom und damit
das abgegebene Drehmoment des Motors 10 gemessen wird.
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Weiterhin besitzt der Motorschraubenschlüssel einen
Winkelkopf 23, in welchem eine Abtriebswelle 24 mit einem
Vierkantende zum Anschluß eines Steckschlüssels gelagert ist.
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Der Rotor 25 des Motors 10 ist an seinem rückwärtigen Ende
mit einer zentralen koaxialen Bohrung 26 ausgebildet, in
welcher sich eine drehbare und axial verschiebbare Spindel
27 befindet. Auf der Spindel 27 ist ein Trägheitselement in
Form eines Schwungrades 28 starr befestigt. In letzterem
sind zwei sich axial erstreckende Stifte 29 starr
befestigt, die als Nockenstössel wirken, da sie so angeordnet
sind, daß sie an einem Paar Nockenflächen 30 am
rückwärtigen Ende des Rotors 25 angreifen. (In den Zeichnungen
ist nur eine der Nockenflächen 30 sichtbar.) Jede der
Nokkenflächen 30 besitzt einen obersten Abschnitt 31 mit einem
90º Anstieg. Dieser Abschnitt 31 dient als Anschlag, um zu
verhindern, daß die Nockenstössel 29 über die Nockenspitze
laufen.
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Eine Feder 32 wirkt zwischen einem Absatz 33 in einer
koaxialen Bohrung 34 in dem Gehäuse 13 und einer Hülse 35 und
übt dadurch eine axiale Vorspannkraft auf letztere aus. Die
Hülse 35, die in der Bohrung 34 verschieblich geführt ist,
stützt sich über eine Kugel 36 auf der Mitte des
Schwungrades 28 ab, um dadurch die axiale Vorspannkraft der Feder
32 auf das Schwungrad 28 zu übertragen.
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Ein axial verschieblicher Auslösestift 38 ruht mit seinem
einen Ende auf der Kugel 36, während das gegenüberliegende
Ende des Stiftes 38 am Betätigungsarm 39 des Schalters 12
anliegt. Der Auslösestift 38 ist in einer Buchse 40
beweglich geführt, die in dem Gehäuse 13 montiert ist.
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Der Schalter 12 ist auf einer Platte 41 befestigt, welche
mittels eines Bolzens 42 und einer Befestigungsschraube 43
in dem Gehäuse 13 montiert ist. Die Befestigungsschraube 43
erstreckt sich durch eine längliche Öffnung 44 in der
Platte 41, die für eine gewisse Einstellbarkeit des Schalters
12 sorgt.
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Im Betrieb wird das Werkzeug mit einem Steckschlüssel
versehen und an einer anzuziehenden Schraubverbindung
angesetzt, während die Steuer- und
Leistungversorungseinrichtung 11 das Werkzeug mit einer Energiequelle verbindet. Das
Anzugsverfahren wird von dem Benutzer eingeleitet, indem er
den Hebel 20 drückt und dadurch den Schalter 19 veranlaßt,
ein Signal an die Einrichtung 11 abzugeben, das sofort die
Zufuhr von Arbeitsstrom über die Zuleitungen 15, 16 zum
Motor 10 auslöst.
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Während eines einleitenden Anzieh- oder Andrehschrittes ist
der Drehmomentwiderstand in der Schraubverbindung sehr
gering, und die Geschwindigkeit des Werkzeuges ist hoch.
Solange die Motorgeschwindikeit konstant ist oder ansteigt,
bleiben das Schwungrad 28 und die Spindel 27 in ihren in
Fig. 1 gezeigten vorderen Stellungen, da sie durch die
Feder 32 über die Hülse 35 und die Kugel 36 vorbelastet sind.
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Wenn die Schraubverbindung niedergeschraubt ist und ein
Drehmomentwiderstand in der Schraubverbindung entsteht,
beginnen sich die drehenden Teile des Werkzeuges
einschließlich des Motorrotors 25 zu verlangsamen. Dieser Punkt wird
das Anlageniveau genannt und zeigt an, wo der erste oder
einleitende Anzugsschritt beendet werden sollte.
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Bei einer Verlangsamung des Rotors 25 neigt das Schwungrad
28 wegen seiner Trägheit dazu, die Geschwindigkeit
beizubehalten, wodurch eine Relativdrehung zwischen dem Schwungrad
28 und dem Rotor 25 auftritt. Dann gleiten die
Nocken-Stösselstifte 29 entlang den Nockenflächen 30 und bewirken
dadurch eine axiale Verschiebung des Schwungrads 28, der
Spindel 27, der Kugel 36 und des Auslösestiftes 38.
Letzterer betätigt den Schalter 12, welcher über die Drähte 17,
18 wiederum ein Signal an die Steuer- und
Leistungsversorungseinrichtung abgibt.
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Infolge des Vorhandenseins der obersten 90º Abschnitte 31
der Nockenflächen 30 wird sichergestellt, daß die Nocken-
Stösselstifte 29 nicht über die Nockenspitzen laufen und
zur Anlage an der nächsten Nockenfläche zurückfallen. Bei
solchen Bewegungen würden zeitweise Unterbrechungen des von
dem Schalter 12 abgegebenen Signals entstehen, welche den
Betrieb stören würden.
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Nach dem Empfangen eines Signals von dem Schalter 12 ist
die Steuereinrichtung 11 so programmiert, daß sie die
Leistungsversorgung des Motors in der Anzugsrichtung
unterbricht und statt dessen ein elektrisches Bremsen des Motors
auslöst, um die verbleibende kinetische Energie der
rotierenden Teile des Werkzeuges wirksam aufzunehmen und die
Trägheitskräfte dieser Teile daran zu hindern, einen
Drehmomentüberschuß zu verursachen.
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Während einer folgenden, kurzen Stillstandsphase werden das
Schwungrad 28, die Spindel 27 und der Auslösestift 38 von
der Feder 32 in ihre ursprünglichen Stellungen
zurückgeführt. Dies bedeutet, daß der Schalter 12 wieder seine
ausgeschaltete Stellung einnehmen kann, in welcher kein
Abschalt- oder Bremssignal an die Steuereinrichtung
abgegeben wird. Statt dessen nimmt die Steuereinrichtung 11
wieder die Leistungsversorgung des Motors 10 auf, um das
Werkzeug zu veranlassen, den abschließenden Anzugsschritt
zu beginnen, in welchem die Schraubverbindung auf ein
bestimmtes, gewünschtes endgültiges Drehmoment- oder
Vorspannungsniveau angezogen wird. Dieses Drehmomentniveau
entspricht einer bestimmten Stromstärke, die als Bezugswert im
Wechselrichter 51 eingestellt ist, und der endgültige
Anzugsschritt wird automatisch unterbrochen, wenn die als
Spannungsabfall an dem Widerstand 52 angezeigte Stromstärke
diesen Wert erreicht.