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Die Erfindung befaßt sich mit einem drehmomentabhängigen
Trennkupplungsmechanismus für einen pneumatischen Motor-
Schraubendreher. Insbesondere betrifft die Erfindung einen
Kupplungsmechanismus mit einer antreibenenden
Kupplungshälfte, die mit dem Motor des Schraubendrehers verbunden
und mit Taschen für zwei oder mehr Drehmoment übertragende
Kugeln, einer axial wirkenden Vorspannfeder und einem axial
verschieblichen Druckelement zum Übertragen der Last der
Vorspannfeder auf die Kugeln ausgebildet ist. Der
Kupplungsmechanismus verfügt weiterhin über eine angetriebene
Kupplungshälfte, die mit der Abtriebswelle des
Schraubendrehers verbunden und mit Nockenflächen zum Zusammenwirken
mit den Drehmoment übertragenden Kugeln versehen ist.
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Ein Kupplungsmechanismus der zuvor angeführten Art ist
bereits in dem US Patent Nr. 5,129,465 beschrieben worden.
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Ein Kupplungen der oben genannten Art betreffendes Problem
bezieht sich auf die mit einem Wiedereingriff in
Zusammenhang stehenden Drehmomentstöße, die nach dem Lösen der
Kupplung beim Anziehen steifer Schraubverbindungen erzeugt
werden, d. h. Verbindungen mit einem steilen
Drehmomentanstieg pro Drehwinkeleinheit. Der Grund hierfür besteht
darin, daß die Drehzahl, wenn das gewünschte maximale
Drehmomentniveau erreicht wird und die Kugeln der Kupplung die
Spitzenscheitel der Nockenflächen überschreiten, immer noch
hoch genug ist, um ein Wiedereingreifen der Nockenflächen
mit den Kugeln einmal, zweimal oder mehrfach zu bewirken,
bevor der Motor und die antreibende Kupplungshälfte
aufgehört haben zu rotieren, trotz eines rechtzeitigen
Abschaltens der Antriebsluft. Solche Drehmomentstöße können einen
unerwünschten Überschuß des eingebrachten Drehmoments über
das gewünschte Drehmomentniveau hinaus verursachen.
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Ein Weg zur Lösung dieses Problems besteht darin, Mittel
zum vollständigen Trennen der Kupplungsteile nach dem
Ausrücken der Kupplung zu verwenden, um dadurch die Kupplung
am Wiedereinrücken und Erzeugen unerwünschter
Drehmomentstöße zu hindern.
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Beispiele für Motorschraubendreher mit
Kupplungsmechanismen, die mit pneumatisch betätigten kupplungstrennenden
Mitteln versehen sind, sind in den US Patenten Nr.
2,683,512 und Nr. 3,487,901 beschrieben. Diese beiden
Vorrichtung aus dem Stand der Technik besitzen pneumatische
Kolben-Zylinder-Mittel, die der antreibenden
Kupplungshälfte zugehörig so angeordnet sind, daß sie die axiale
Verschiebung der antreibenden Kupplungshälfte nach dem
Erreichen des Trennpunktes der Kupplung verlängern. Ein
diesen beiden Vorrichtungen gemeinsames Merkmal besteht darin,
daß der Drehmoment übertragende Eingriff zwischen der
antreibenden und der angetriebenen Kupplungshälfte durch den
auf die Kolben-Zylinder-Mittel wirkenden Luftdruck bestimmt
wird. Dies macht das Niveau des Trenndrehmoments abhängig
von dem Luftdruck, was manchmal einen Nachteil darstellt.
Ein weiteres diesen bekannten Vorrichtungen gemeinsames
Merkmal besteht darin, daß der Zylinder der
Kolben-Zylinder-Mittel als ein nicht rotierendes Teil des
Werkzeuggehäuses ausgebildet ist und daß die Druckluftzufuhr zu
diesem zusätzlichen Raum für innenliegende Kanäle durch das
Werkzeuggehäuse oder für äußere Rohrleitungen erfordert.
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Für das Zusammenwirken mit dem nicht rotierenden Zylinder
verfügt die in dem US Patent Nr. 2,683,512 gezeigte
Vorrichtung über eine recht einfache Kolbenanordnung, bei
wel
cher der Kolben ein einstückiges Teil mit der antreibenden
Kupplungshälfte bildet. Die Nachteile dieser bekannten
Kupplungsausführung liegen in dem Auftreten von
Reibungskräften und einem unerwünschten Verschleiß der Kolben- und
Zylinderflächen, was zu einer schlechten Funktion und einer
kurzen Lebensdauer des Kupplungsmechanismus führt.
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Bei der in dem US Patent 3,487,901 gezeigten Vorrichtung
ist der Kolben relativ zu der antreibenden Kupplungshälfte
drehbar gelagert. Dies führt zu einem günstigeren
Zusammenwirken zwischen dem Kolben und dem unbeweglichen Zylinder.
Es kommt jedoch auch zu einer recht aufwendigen Gestaltung
des Schraubendrehers, die zusätzliche Kugellager zwischen
der antreibenden Kupplungshälfte und dem Kolben umfaßt.
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In der FR 1 432 978 ist eine Drehmoment übertragende
Trennkupplung mit Kugeln beschrieben, bei welcher die
antreibende Kupplungshälfte axial beweglich und mit einer
Zylinderkammer ausgebildet ist, der auf beiden Seiten eines
stationären Kolbens Druckluft zugeführt wird, und ein
Luftauslaßventil zwischen der antreibenden und der angetriebenen
Kupplungshälfte angeordnet ist, um eine Seite des
stationären Kolbens von Druck zu entlasten, um bei dem
beabsichtigten Trenndrehmomentniveau eine die Kupplung trennende
Luftkraft auf die antreibende Kupplungshälfte zu erzeugen.
Diese Kupplung ist dahingehend nachteilig, daß die recht
schwere antreibende Kupplungshälfte selbst am Trennpunkt
verlagert wird und daß die Druckentlastung der
Zylinderkammer sofort stattfindet, da die antreibende Kupplungshälfte
infolge des als Sitzventil ausgebildeten Auslaßventils
beginnt sich zu bewegen. Dadurch wird das beabsichtigte,
durch die auf die Kupplungskugeln wirkende Vorspannfeder
eingestellte Trenndrehmomentniveau in einer unerwünschten
Weise beeinflußt.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Vorrichtungen des
Standes der Technik führt der erfindungsgemäße
Kupplungsmechanismus zur einer einfachen Schraubendreherkonstruktion
und zu einem zuverlässigen Betrieb mit niedrigem
Reibungsverschleiß.
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Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden genauen Beschreibung und den Ansprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail
erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Kupplungsmechanismus, der
die Kupplung in ihrem Drehmoment
übertragenden Zustand zeigt;
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Fig. 2 einen Schnitt ähnlich Fig. 1, der
jedoch die Kupplung in ihrer ausgerückten
Stellung zeigt.
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Der in den Abbildungen gezeigte Kupplungsmechanismus ist
für einen pneumatischen Schraubendreher vorgesehen und
arbeitet mit einem Abschaltventil 10 für Antriebsluft
zusammen, das in dem Drucklufteinlaßkanal 11 stromaufwärts des
Schraubendrehermotors 12 angeordnet ist. Das Abschaltventil
10 besitzt ein Ventilelement 13 mit einem Absatz 14 zum
abdichtenden Zusammenwirken mit einem Sitz 15 in dem
Schraubendrehergehäuse 16, um dadurch einen mit dem Motor 12
verbundenen Luftzufuhrkanal 17 zu blockieren. Das
Ventilelement 13 ist an dem rückwärtigen Ende einer
Betätigungsstange 18 angebracht und mit einer sich axial erstreckenden
Durchgangsbohrung 19 für eine kontinuierliche Luftzufuhr an
den Kupplungsmechanismus versehen. Eine Feder 20 wirkt auf
das Ventilelement 13 in dessen Öffnungsrichtung.
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Die Trennkupplung besitzt eine antreibende Kupplungshälfte
22, die mit dem Motor 12 antreibend gekoppelt ist, eine
angetriebene Kupplungshälfte 23, die mit der Abtriebswelle
des Schraubendreher (nicht gezeigt) verbindbar ist, und
eine Anzahl von Kugeln 24 zum Übertragen von Drehmoment
zwischen den Kupplungshälften 22, 23.
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An ihrem rückwärtigen Ende ist die angetriebene
Kupplungshälfte 23 mit einer Anzahl radial wirkender Nockenflächen
25 zum Angreifen an die Kugeln 24 ausgebildet. An ihrem
vorderen Ende ist die angetriebene Kupplungshälfte 23 mit
einer Verzahnung 26 zum Eingreifen in ein
Untersetzungsgetriebe (nicht gezeigt) ausgebildet.
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Die antreibende Kupplungshälfte 22 verfügt über einen
rückwärtigen Rohrabschnitt 28, einen erweiterten Stirnabschnitt
29, der eine Zylinderkammer 30 einschließt, und eine
vordere Stirnwand 31, die mittels eines Gewinderings 32 an dem
Stirnabschnitt 29 befestigt ist. Die Stirnwand 31 ist mit
schrägen Taschen 33 zum beweglichen Halten der Kugeln 24
und einem Druckelement 34 ausgebildet, das in der
Zylinderkammer 30 abdichtend geführt und mit einer konischen
Kontaktfläche 35 zum Angreifen an den Kugeln 24 ausgebildet
ist.
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Der Rohrabschnitt 28 bildet einen Zufuhrkanal 36 für
Druckluft, der die Zylinderkammer 30 über einen zentralen
axialen Kanal 37 in dem Motor 12 und die Bohrung 19 in dem
Ventilelement 13 mit dem Lufteinlaßkanal 11 verbindet.
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Das Druckelement 34 ist nach vorne in Richtung des Angriffs
an den Kugeln 24 mittels einer Feder 38 vorbelastet, und
eine Anzahl von Schubstangen 39 erstreckt sich durch axiale
Durchgangsbohrungen 40 im Stirnbereich der antreibenden
Kupplungshälfte in die Zylinderkammer 30. Die Feder 38
umgibt den rückwärtigen Rohrabschnitt 28 der antreibenden
Kupplungshälfte 22 und stützt sich an einem Ring 41 und
einer einstellbaren Mutteranordnung 42 ab, die mit einem
Außengewinde auf dem Rohrabschnitt 28 in Eingriff steht.
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Aufgrund seiner Anordnung zwischen den Kugeln 24 und der
Vorspannfeder 38 verfügt das Druckelement 34 über eine den
Kugeln zugewandte Seite und eine der Feder zugewandte
Seite, die wahlweise mit Druck beaufschlagt werden, wie
nachstehend erläutert wird.
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Das Druckelement 34 ist mit einem zylindrischen
Schürzenabschnitt 43 zur abdichtenden Führung in der Zylinderkammer
30 und einem rückwärtigen, zylindrischen Kragenabschnitt 44
ausgebildet, der in einem passenden Buchsenbereich 45 in
der antreibenden Kupplungshälfte 22 abdichtend aufnehmbar
ist. Der Kragenabschnitt 44 und der Buchsenbereich 45
bilden Steueröffnungsmittel, durch welche die Druckluftzufuhr
zu der der Feder zugewandten Seite des Druckelements 34
gesteuert wird.
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Der Kragenabschnitt 44 besitzt eine mittige Vertiefung 46
zum Abstützen des vorderen Endes der Betätigungsstange 18
und ist weiterhin mit einer oder mehreren
Durchgangsöffnungen 47 versehen, um der den Kugeln zugewandten Seite des
Druckelements 34 Druckluft zuzuleiten.
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Die Zylinderkammer 30 ist mit einer Anzahl über einen Teil
des Umfangs reichenden, schlitzförmigen Öffnungen 48
verse
hen, und der Schürzenabschnitt 43 des Druckelements 34 ist
ebenso mit über einen Teil des Umfangs reichenden,
schlitzähnlichen Öffnungen 49 ausgebildet. Diese Öffnungen 48, 49
bilden zweite Steueröffnungsmittel für Druckluft, durch
welche die Beaufschlagung der der Feder zugewandten Seite
des Druckelements 34 mit Druckluft gesteuert wird.
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Weiterhin verfügt die Wand der Zylinderkammer 30 über eine
Anzahl von über einen Teil des Umfangs reichenden
Vertiefungen 50, deren Zweck darin liegt, einen Druckausgleich
zwischen der der Feder zugewandten Seite und der den Kugeln
zugewandten Seite des Druckelements 34 in der Drehmoment
übertragenden Stellung der Kupplung (siehe Fig. 1)
sicherzustellen.
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Im Betrieb sind der Schraubendreher und sein
Kupplungsmechanismus an eine Druckluftquelle angeschlossen, und die
Druckluft wird dem Abschaltventil 10 über ein Drosselventil
(nicht gezeigt) und den Einlaßkanal 11 zugeführt. An dem
entgegengesetzt liegenden Ende des Kupplungsmechanismus ist
die angetriebene Kupplungshälfte 23 mit einer anzuziehenden
Schraubverbindung über ein Untersetzungsgetriebe und eine
Abtriebswelle (nicht gezeigt) verbunden.
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Zu Beginn eines Anziehvorgangs einer Schraubverbindung
nehmen die Teile des Kupplungsmechanismus die in Fig. 1
dargestellten Stellungen ein. Dies bedeutet, daß das
Abschaltventil 10 offen ist, um dem Motor 12 über den Kanal 17
Druckluft zuzuführen, die den Motor dazu bringt, mit der
Abgabe von Drehmoment an die antreibende Kupplungshälfte 22
zu beginnen.
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Gleichzeitig wird durch die Bohrung 19 in dem Ventil 13,
den Motorkanal 37 und Zufuhrkanal 36 Druckluft eingeleitet,
um die Zylinderkammer 30 unter Druck zu setzen. Da das
Druckelement 34 seine vordere Stellung einnimmt, sind die
durch den Kragenabschnitt 44 und den Buchsenbereich 45
ausgebildeten Steueröffnungsmittel offen und Druckluft tritt
in die Zylinderkammer 30 auf der der Feder zugewandten
Seite des Druckelements 34 ein. Auch auf der
gegenüberliegenden, den Kugeln zugewandten Seite des Druckelements 34
tritt Druckluft durch die Öffnungen 47 und auch über die
Öffnungen 49 in dem Schürzenabschnitt 43 des Druckelements
und die Ausnehmungen 50 in der Zylinderkammer 30 in die
Zylinderkammer ein. In dieser Stellung ist das Druckelement
34 in Bezug auf den Druck ausbalanciert, da der Luftdruck
in dem Zufuhrkanal 36 auf beide Seiten des Druckelements 34
wirkt.
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Das von dem Motor 12 abgegebene Drehmoment wird durch die
Kugeln 24 von der antreibenden Kupplungshälfte 22 auf die
angetriebene Kupplungshälfte 23 übertragen. Die Kugeln 24
werden durch die Feder 38 und die konische Fläche 35 an dem
Druckelement 34 gegen die Nockenflächen 25 an der
angetriebenen Kupplungshälfte 23 vorbelastet. Es ist zu beachten,
daß das durch den Kupplungsmechanismus übertragene
Drehmoment auf ein bestimmtes Niveau beschränkt ist, das sich
durch die über die Schubstangen 39 auf das Druckelement 34
übertragene Vorlast der Feder 38 bestimmt. Die
Federbelastung wird ebenso wie das Trenndrehmomentniveau durch das
Verstellen der einstellbaren Mutteranordnung 42 bestimmt,
die das Federlager bildet. Der Luftdruck ist ohne jegliche
Bedeutung für das Trenndrehmomentniveau der Kupplung.
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Während des Großteils des Anziehvorgangs der
Schraubverbindung rotiert der gesamte Kupplungsmechanismus. Wenn der
Drehmomentwiderstand der Schraubverbindung steigt, beginnen
die Flächen 25 der angetriebenen Kupplungshälfte 23 die
Ku
geln 24 in ihren Taschen 33 nach außen zu drängen und
drücken dadurch das Druckelement 34 gegen die Vorlast der Feder
38 nach hinten. Sobald das gewünschte endgültige
Drehmomentsniveau erreicht wird, haben die Kugeln 24 die
Spitzenscheitel der Nockenflächen 25 erreicht und das übertragene
Drehmoment steigt nicht weiter an. Bei fortgesetzter
Rotation der antreibenden Kupplungshälfte 22 wandern die Kugeln
24 über die Spitzenscheitel und die Kupplung wird getrennt.
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Am Trennpunkt der Kupplung ist jedoch das Druckelement 34
nach hinten in eine Stellung verlagert worden, in welcher
der Kragenabschnitt 44 abdichtend in den Buchsenbereich 45
eintritt und die Öffnungen 49 in dem Schürzenabschnitt 43
beginnen, mit den Öffnungen 48 in der Zylinderkammer 30
zusammenzufallen. Dies führt nicht nur dazu, daß die
Druckluftzufuhr zu der der Feder zugewandten Seite des
Druckelements 34 unterbrochen wird, sondern auch dazu, daß der
obere Bereich der Zylinderkammer 30 durch Entlüften zur
Umgebung von Druck entlastet wird. Auf der anderen Seite
steht die den Kugeln zugewandte Seite des Druckelements 34
durch die fortgesetzte Druckluftzufuhr durch die Öffnungen
47 noch unter Druck. Von dem Augenblick an, in welchem der
Kragenabschnitt 44 beginnt, in den Buchsenbereich 45
einzudringen, und die Öffnungen 47, 48 anfangen
zusammenzufallen, wird die Druckbalance des Druckelements 34
unterbrochen, und eine Luftkraft, die ausreichend stark ist, um die.
Feder 38 weiter zu komprimieren, bewegt das Druckelement 34
weiter nach hinten, bis letzteres an der oberen Stirnwand
der Zylinderkammer 30 anliegt. In dieser Stellung hat sich
die konische Kontaktfläche 35 des Druckelements 34
ausreichend weit von den Kugeln 24 wegbewegt, um letztere am
Wiedereingriff mit den Nockenflächen 25 zu hindern. In dieser
Stellung ist die Kupplung vollständig getrennt (siehe Fig.
2).
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Da das Druckelement 34 durch Druckluft in seine ausgerückte
Stellung verschoben wird, wird die Betätigungsstange 18
nach hinten bewegt, wobei sie das Abschaltventil 10
schließt. Dadurch wird der Luftzufuhrkanal 17 zu dem Rotor
12 blockiert und der Motor 12 hört auf zu rotieren. Es sei
angemerkt, daß die Bohrung 19 in dem Ventilelement 13 noch
offen ist, um der Zylinderkammer 30 Druckluft zuzuführen
und dadurch die auf das Druckelement 34 in Richtung der
ausgerückten Stellung wirkende Luftkalt aufrechtzuerhalten.
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Dies stellt ein wichtiges Merkmal des Kupplungsmechanismus
dar, weil beim Anziehen einer sehr steifen
Schraubverbindung, d. h. einer Schraubverbindung mit einem steilen
Drehmomentanstieg pro Drehwinkel, das Trenndrehmoment der
Kupplung bei einer hohen Drehzahl der rotierenden Teile des
Mechanismus sehr abrupt erreicht wird und die kinetische
Energie dieser Teile eine fortgesetzte Rotation mit einem
einfachen oder mehrfachen Wiedereingreifen der
Kupplungskugeln 24 als Ergebnis bewirken würde. Da dies unerwünschte
Drehmomentimpulse nach dem Trennen erzeugen würde, ist es
wichtig, daß die Kupplung auch nach dem Schließen des
Abschaltventils 10 für die Antriebsluft in ihrer vollständig
getrennten Stellung gehalten wird. Dementsprechend wird das
Druckelement 34 in seiner zurückgezogenen Stellung
gehalten, solange Druckluft durch den Einlaßkanal 11 über das
Drosselventil (nicht gezeigt) zugeführt wird.
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Wenn das Drosselventil jedoch geschlossen wird, wird die
auf das Druckelement 34 wirkende Luftkraft unterbrochen und
die durch die Feder 38 ausgeübte Vorspannkraft bewegt das
Druckelement 34 zurück in seine vordere, an den Kugeln
angreifende Stellung. Die ersten, durch den Kragenabschnitt
44 und den Buchsenbereich 45 gebildeten Steueröffnungmittel
werden wieder geöffnet und die zweiten, durch die
Schlitzöffnungen 48, 49 in der Zylinderkammer 30 bzw. dem
Schürzenabschnitt 43 gebildeten Steueröffnungsmittel werden
geschlossen. Der Kupplungsmechanismus ist nun zur Übertragung
von Drehmoment bis zu einem vorbestimmten Niveau
zurückgesetzt. Wenn das Druckelement 34 in seine an den Kugeln
angreifende Stellung zurückbewegt wird, schiebt die Feder 20
das Abschaltventil 10 in seine offene Stellung. Der Motor
12 kann nun für einen weiteren Anzugsvorgang gestartet
werden.