DE69726430T2

DE69726430T2 - Simulationsprüfstand mit variabler Drehmomentrate

Info

Publication number: DE69726430T2
Application number: DE69726430T
Authority: DE
Inventors: Ogilvie David Crane; Hedley Quinton
Original assignee: Crane Electronics Ltd; Crane Electronics Inc
Current assignee: Crane Electronics Ltd; Crane Electronics Inc
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2017-09-06
Also published as: EP0923718A1; EP0923718B1; DE69726430D1; WO1998010260A1; US6202028B1

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Kalibrierungsvorrichtung zum Prüfen der Genauigkeit und Konsistenz rotierender angetriebener Montagewerkzeuge für mit Gewinde versehene Verbindungselemente, und durch die Erfindung wird ein Simulationsprüfstand mit einer variablen Drehmomentrate oder -leistung bereitgestellt, durch die solche rotierenden angetriebenen Montagewerkzeuge geprüft werden können.
Hintergrundtechnik
Rotierende angetriebene Montagewerkzeuge zum Ausüben eines Drehmoments auf mit Gewinde versehene Verbindungselemente können angetriebene Schraubendreher, Drehmomentschlüssel, pneumatische Mutteraufschraubgeräte und hydraulische Impulswerkzeuge sein. Angetriebene Schraubendreher werden tendenziell eher für Niedriglastanwendungen verwendet, bei denen das auszuübende Drehmoment lediglich einige Nm (Newtonmeter) beträgt, während Drehmomentschlüssel und hydraulische Impulswerkzeuge verwendet werden, um Drehmomente bis zu 150 Nm oder mehr auszuüben. Hydraulische Impulswerkzeuge werden zunehmend weit verbreitet für Montagearbeiten in Fertigungsstraßen verwendet, weil sie in dem Sinne drehmomentabsorbierend sind, daß eine Bedienungsperson kein wesentliches Gegendrehmoment ausüben muß, um eine Bewegung des Werkzeugs zu verhindern, und sie sind im allgemeinen schneller und bequemer verwendbar als Drehmomentschlüssel. Es ist jedoch keine Kalibrierungsvorrichtung kommerziell erhältlich, durch die derartige Werkzeuge periodisch überprüft werden können, um eine Konsistenz oder Reproduzierbarkeit des ausgeübten Drehmoments bei den erhaltenen Verbindungen zu gewährleisten.
In einer Montagefertigungsstraße kann beispielsweise ein Arbeiter das gleiche rotierende angetriebene Montagewerkzeug zum Befestigen einer großen Anzahl von Gewindebolzen mit einem vorgegebenen Drehmoment verwenden. Das vorgegebene Drehmoment wird am rotierenden angetriebenen Montagewerkzeug eingestellt, die Einstellung könnte sich jedoch mit der Zeit ändern, wenn das Werkzeug stark beansprucht wird. Daher wird ein Simulationsprüfstand bereitgestellt, durch den das rotierende angetriebene Montagewerkzeug periodisch geprüft werden kann, um sicherzustellen, daß es nicht gewartet oder neu eingestellt werden muß. Im allgemeinen ist der Prüfstand so konstruiert, daß das Verhalten einer idealisierten realen Verbindung auf eine bekannte, wiederholbare Weise simuliert wird.
Nicht alle reale Verbindungen weisen die gleiche "Drehmomentrate" auf. Der Ausdruck "Drehmomentrate" ist in der Norm ISO 5393 als "Drehmomentzunahme mit Winkelversatz, während einer Vortriebsbewegung eines Verbindungselements in einer Gewindeverbindung" definiert. D. h., wenn eine Erhöhung Δτ eines ausgeübten Drehmoments zu einer Erhöhung Δα des Winkelversatzes eines Gewindeverbindungselements führt, entspricht die Drehmomentrate dem Verhältnis Δτ/Δα. Die Gewindeverbindung kann eine harte oder eine weiche Verbindung sein, wobei harte Verbindungen höhere Drehmomentraten aufweisen. Daher stehen, um ein angetriebenes Werkzeug so zu prüfen, daß reale Verhältnisse simuliert werden, Prüfstände zur Verfügung, in denen variable Drehmomente und variable Drehmomentraten eingestellt werden können. Die Norm ISO 5393 bezeichnet den internationalen Standard für Prüfstände und definiert für nicht stoßweise betätigte oder Non-impact-Schraubenschlüssel Spezifikationen für die Beziehung Δτ/Δα für harte (hohe [H] Drehmomentrate) und weiche (niedrige [L] Drehmomentrate) Verbindungen. Diese Spezifikationen sollen die beiden Enden des Bereichs harter und weicher Verbindungen definieren, die bei einer normalem Gebrauch eines angetriebenen Werkzeugs auftreten.
In der DE-C-33 05 457 ist ein Simulationsprüfstand mit variabler Drehmomentrate für ein rotierendes angetriebenes Montagewerkzeug beschrieben, das ein Drehmoment kontinuierlich ausübt. Das Werkzeug wird zum Ausüben eines Drehmoments auf eine Welle verwendet, die sich gegen eine Magnetbremse dreht. Die Bremskraft wird erhöht, bis die Welle stoppt. Das Drehmoment und der Winkel werden während des Bremsvorgangs wiederholt oder kontinuierlich überwacht. Ein Mikroprozessor vergleicht die Drehmoment- und Winkelwerte und steuert die Bremskraft als Funktion des gemessenen Winkels so, daß das Drehmoment/Winkel-Verhältnis einen spezifizierbaren konstanten Wert aufweist. Durch die Verwendung einer Winkel-Rückkopplung wird gewährleistet, daß der Simulationsprüfstand die Norm ISO 5393 erfüllen kann.
Der in der DE-C-33 05 457 beschriebene Simulationsprüfstand ist zur Verwendung mit hydraulischen Impulswerkzeugen oder mit einem anderen impuls- oder stoßweise betätigten angetriebenen Montagewerkzeug ungeeignet.
In der GB-A-2038006 wird eine Vorrichtung zum Prüfen und Einstellen eines angetriebenen Schraubendrehers mit einem vorgegebenen Anzugdrehmoment beschrieben. Die Vorrichtung weist einen für den einzustellenden Schraubendreher spezifischen, zweckmäßig konstruierten Simulationsprüfstand und eine Scheibenbremse auf, die von Bremssätteln des Typs überspannt ist, der in Kraftfahrzeugbremssystemen verwendet wird. Die Auswahl und die Konstruktion der Komponenten in der GB-A-2038006 sind derart, daß dem Leser verdeutlicht wird, daß die Trägheit der Komponenten vernachlässigbar ist. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform werden Komponenten mit großer Trägheit verwendet, und in der Beschreibung der GB-A-2038006 wird nicht erwähnt, daß die Vorrichtung für einen breiteren Anwendungsbereich geeignet sein würde, wenn die Basis-Konstruktionselemente der Vorrichtung eliminiert und die Vorrichtung neu konstruiert würde, um eine minimale Trägheit zu erreichen. Tatsächlich wird nicht erwähnt, daß eine Reibungsbremse mit geringer Trägheit bereitgestellt werden kann, durch die die erforderlichen Drehmomentwerte erreicht werden, oder daß dies vorteilhaft wäre.
In einem hydraulischen Impulswerkzeug wird ein Schwungrad so beschleunigt, daß sein Energiespeicher über eine sehr kurze Zeitdauer in der Größenordnung von 10 bis 30 ms aufgebaut oder aufgeladen wird, wobei während dieser Zeitdauer kein Drehmoment ausgegeben wird. Dann erfolgt eine momentane Übertragung dieser akkumulierten Energie als Impuls zur Verbindung bzw. zum Simulationsprüfstand. Während dieser Übertragung nimmt das ausgegebene Drehmoment über eine sehr kurze Zeitdauer von typischerweise 1 bis 10 ms von null auf seinen Maximalwert zu und fällt wieder auf null ab. Während der Verwendung eines hydraulischen Impulswerkzeugs ändert sich die Winkelbewegung der Prüfstandkomponenten pro Impuls des Werkzeugs, und die Impulsgaberate des Werkzeugs ändert sich ebenfalls. Daher könnte, wenn die Drehmomentrate und der Winkel nicht wie in der DE-C-33 05 457 überwacht werden, die Bremsenbetätigung in einem in Verbindung mit einem hydraulischen Impulswerkzeug verwendeten Simulationsprüfstand ausreichend schnell und empfindlich gesteuert werden. Es besteht jedoch keinerlei Möglichkeit, eine Vorrichtung gemäß der GB-A-2038006 in Verbindung mit einem hydraulischen Impulswerkzeug geeignet zu betreiben.
Außerdem ist durch die Anmelder realisiert worden, daß die in der DE-C-33 05 457 beschriebene Vorrichtung möglicherweise nicht als Prüfstand für ein Impulswerkzeug verwendbar ist, auch wenn sie auf eine andere Weise als in der DE-C-33 05 457 dargestellt verwendet würde. Die in der DE-C-33 05 457 beschriebene Vorrichtung übt ihr variables Drehmoment durch eine elektromagnetische Bremse aus, die eine mit einen Mutteraufschraubgerät der Vorrichtung verbundene Welle abbremst. Die Erfinder dieser Vorrichtung betrachteten diese Vorrichtung als Vorrichtung mit geringer Trägheit, und tatsächlich kann, wenn Nicht-Impulswerkzeuge geprüft werden, die Trägheit der Vorrichtung als vernachlässigbar betrachtet werden. Die Anmelder haben jedoch festgestellt, daß die Trägheit beim Prüfen von Impulswerkzeugen wesentlich ist, wie später diskutiert wird. Die Trägheit der in der DE-C-33 05 457 beschriebenen Vorrichtung würde so hoch sein, daß sie für diesen Zweck absolut ungeeignet ist. Die Trägheit der in der GB-A-2038006 dargestellten Vorrichtung ist sogar noch mehrere Größenordnungen größer.
In der US-A-4150559 wird ein Prüfstand mit variabler Rate beschrieben, der zum Kalibrieren eines angetriebenen Winkelschlüssels oder eines Mutteraufschraubgerät geeignet ist, wobei zwischen einer harten Verbindung und einer weichen Verbindung ausgewählt werden kann, indem das eine oder das andere Ventil eines Paars von Ventilen zum Zuführen von Steuerungsdruckluft zu einem Scheibenbremsenmechanismus betätigt wird. Die Ventile leiten die Luft durch verschiedene Kanäle, von denen einer einen Durchflußbegrenzer oder Drosselkörper aufweist, um die Bremsenbetätigung für eine sichere Verbindungssimulation zu verlangsamen. Die Vorrichtung ist zur Verwendung mit Impulswerkzeugen vollkommen ungeeignet, die in der US-A-4150559 auch nicht betrachtet werden.
Die Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Prüfstand mit variabler Rate bereitgestellt, mit:
einem Gehäuse;
einer im Gehäuse angeordneten Welle;
einer Einrichtung zum Verbinden eines zu prüfenden Werkzeugs mit der Welle; und
einer Bremseinrichtung zum Ausüben eines Bremsdrehmoments auf die Welle;
dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung aufweist:
eine Bremsschuhanordnung, die durch eine elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung betätigbar und so angeordnet ist, daß sie im Betrieb direkt auf die Außenumfangsfläche der Welle wirkt, um ein Reibungsbremsdrehmoment darauf auszuüben; und
einen Computer zum Steuern des auf die elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung ausgeübten Drucks als Funktion der Zeit, wobei der Computer so angeordnet ist, daß er im Betrieb den ausgeübten Druck über eine Zeitdauer, die variabel ist, um die Härte der simulierten Verbindung widerzuspiegeln, von einem voreingestellten Schwellenwert auf einen Maximalwert ändert.
Weil Reibungseinrichtungen zum Abbremsen der Welle verwendet werden, kann die Welle einen kleinen Außendurchmesser aufweisen. Außerdem kann die Welle (abgesehen von Lagern) das einzige Rotationselement sein. Daher können die rotierenden Teile eine extrem geringe Trägheit (vorzugsweise von weniger als 10^–4 kg/m²) aufweisen, so daß die Vorrichtung zur Verwendung mit Impulswerkzeugen geeignet ist. Idealerweise sollte das Trägheitsmoment des Simulationsprüfstandes in der gleichen Größenordnung liegen wie das Trägheitsmoment der simulierten Verbindung. Es existieren ISO-Normen, die die Maßabweichungen für alle Arten von Bolzen, einschließlich Bolzen mit Sechskantköpfen, beschreiben. Obwohl es mehrere verschiedene Zulieferer gibt, die Buchsen oder Aufsätze zum Verbinden von angetriebenen Werkzeugen mit Verbindungselementen anbieten, sind die Größen der verschiedenen Buchsen oder Aufsätze sehr ähnlich. Daher kann das polare Trägheitsmoment für das Gesamtsystem aus einer Mutter oder einem Bolzen und der geeigneten Buchse bzw. dem geeigneten Aufsatz berechnet werden. Für Bolzen kann der kürzeste Standardbolzen und der längste Standardbolzen herausgesucht und der Bereich der entsprechenden zusätzlichen Trägheit berechnet werden. Es hat sich gezeigt, daß dieser Bereich kleiner als ±5% bezüglich einer mittleren Bolzenlänge und daher unwesentlich ist. Daher können Trägheitsmomente für jede Muttern- oder Bolzengröße berechnet werden, und die Trägheit der simulierten Verbindung kann damit verglichen werden.
Wenn beispielsweise die zu simulierende Verbindung einen M10-Bolzen mit einer axialen Länge von 2 cm aufweist, sollte das Trägheitsmoment des Simulationsprüfstandes in der gleichen Größenordnung liegen wie dasjenige des M10-Bolzens. Damit die gleiche Vorrichtung verschiedene Verbindungen simulieren kann, kann ein Bereich austauschbarer Kupplungsköpfe (nicht dargestellt) verwendet werden, die mit dem oberen Ende der Welle 2 verbunden werden und deren Größe so ausgewählt wird, daß die Trägheitsmomente der verschiedenen zu simulierenden Verbindungen simuliert werden.
Ein erfindungsgemäßer Simulationsprüfstand kann einen Bereich verschiedener Kupplungsköpfe aufweisen, die jeweils zum Prüfen bestimmter Drehmomentwerte geeignet sind. Beispielsweise könnte ein erster Kupplungskopf für Drehmomente bis zu 2 Nm verwendet werden. Die Kombination aus dem Kupplungskopf und der Welle sollte ein Drehmoment aufweisen, das demjenigen von für diese Drehmomentwerte geeigneten Verbin dungselementen ähnlich ist. Ein zweiter Kupplungskopf kann für größere Drehmomente von beispielsweise bis zu 16 Nm bereitgestellt werden. Ein dritter Kupplungskopf kann für noch größere Drehmomentwerte von beispielsweise bis zu 128 Nm bereitgestellt werden. Tatsächlich kann eine große Anzahl von Kupplungsköpfen bereitgestellt werden, um die Trägheit von Verbindungselementen bestmöglich zu simulieren, die für ein bestimmtes Drehmoment geeignet sind. Es kann beispielsweise ein drehbarer Revolverkopf über dem Gehäuse bereitgestellt werden, der dazu geeignet ist, einen geeigneten Kopf eine Bereichs solcher Köpfe mit der Welle zu verbinden. Das Trägheitsmoment der Welle und der zugeordneten drehbaren Teile (z. B. Lager) der Bremsenanordnung liegt vorzugsweise in der gleichen Größenordnung wie das Trägheitsmoment der kleinsten zu simulierenden Verbindung. Dies kann nur dadurch erreicht werden, daß die Bremsschuhe direkt auf die Welle wirken.
Die Einrichtung zum Ausüben des Reibungsbremsdrehmoments auf die Welle weist eine elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung auf. Diese wird durch Steuern ihres Betätigungsdrucks unter Verwendung eines Regelschleifen-Rückkopplungssystems gesteuert. Der Betätigungsdruck wirkt vorzugsweise auf eine Bremsschuhanordnung, in der alle Schuhe unabhängig betätigt werden, oder in der der Schuh oder Schuhe auf einer Seite der Welle betätigt werden und diejenigen auf der anderen Seite einfach eine Reaktionskraft bereitstellen. Vorzugsweise weist die Bremsschuhanordnung auf ihrer zylindrischen Innenfläche ein kommerziell erhältliches Reibungsbremsmaterial auf.
Der Prüfstand mit variabler Rate weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Messen des auf die Welle ausgeübten Bremsdrehmoments und des Winkels auf, über den die Welle sich dreht. Die Parameter werden nicht während des Betriebs des erfindungsgemäßen Prüfstands mit variabler Drehmomentra te zum Simulieren einer Verbindung für eine Prüfung eines realen angetriebenen Montagewerkzeugs überwacht, sondern während des Einstell- oder Einrichtungsvorgangs, des Kalibrierungsvorgangs und der Verbindungsabbildung oder -zuordnung, wie nachstehend beschrieben wird. Außerdem kann gegebenenfalls bestätigt werden, daß sich der Prüfstand gemäß der ISO-Spezifikation verhält.
Die Einrichtung zum Messen des auf die Welle ausgeübten Bremsdrehmoments kann eine Lastzelle oder Kraftmeßdose zum Messen der Reaktionskraft auf das Gehäuse aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, eine Anordnung zu verwenden, bei der die Wirkung der Trägheit des Gehäuses vermieden wird. In einer solchen Anordnung ist die Einrichtung zum Ausüben des Bremsdrehmoments eine Bremsschuhanordnung, die die Welle umschließt und durch ein Lager im Gehäuse montiert ist, das die Übertragung einer axialen Vorschubkraft zuläßt, jedoch kein Drehmoment vom Gehäuse auf die Bremsschuhanordnung überträgt. Die Drehbewegung der Bremsschuhanordnung kann durch einen oder mehrere einseitig eingespannte oder freitragende Träger verhindert werden, wobei die Träger Dehnungsmesser oder -streifen zum Messen des auf die Bremsschuhanordnung ausgeübten Reaktionsdrehmoments und damit des auf die Welle ausgeübten Drehmoments aufweisen.
Es kann eine Einrichtung zum Vorspannen der Bremsschuhanordnung von einem Kontakt mit der Welle weg bereitgestellt werden, um zu gewährleisten, daß die Welle frei läuft, wenn kein Bremsdrehmoment darauf ausgeübt werden soll.
Die elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung zum Ausüben des Bremsdrehmoments auf die Welle weist vorzugsweise einen Kolben auf. Um zu ermöglichen, daß der Kolben eine exakte Kraft sowohl am unteren Ende der Ska-la ausübt als auch in der Lage ist, hohe Kräfte auszuüben, kann er einen oder mehrere Plunger aufweisen. Die Plunger haben verschiedene Axialdruckflächen, so daß, wenn der gleiche Druck auf jeden der Plunger ausgeübt wird, verschiedene Kräfte durch die Plunger ausgeübt werden. Durch selektives Betätigen der Plunger kann die Kraft am unteren Ende der Skala unter Verwendung eines Plungers mit einer kleinen Axialdruckfläche fein eingestellt werden, während durch einen Plunger mit einer größeren Axialdruckfläche größere Kräfte ausgeübt werden können.
Durch die Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Prüfen drehmomentausübender Werkzeuge bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Verbinden des Werkzeugs mit einer Welle;
Ausüben eines Reibungsbremsdrehmoments auf die Welle durch den direkten Reibungskontakt einer elektrohydraulisch oder elektropneumatisch betätigbaren Bremsschuhanordnung auf die Außenzylinderfläche der Welle; und
Steuern der Größe des auf die Bremsschuhanordnung ausgeübten hydraulischen oder pneumatischen Steuerdrucks, um das Reibungsbremsdrehmoment zu erzeugen, unter Verwendung eines Computers, um den ausgeübten Steuerdruck als Funktion der Zeit über eine Zeitdauer, die so vorgewählt worden ist, daß sie die Härte der simulierten Verbindung widerspiegelt, von einem Anfangsschwellenwert auf einen Maximalwert zu erhöhen.
Durch die Verwendung eines Computers kann das ausgeübte Drehmoment gemäß gelernten Kenngrößen eines spezifischen Werkzeugs verändert werden. Das bevorzugte Verfahren zum Prüfen eines Werkzeugs besteht darin, eine Serie von Bremsvorgängen auszuführen, die Ergebnisse jedes Bremsvorgangs zu überwachen und dazu zu verwenden, die Ergebnisse zukünftiger Bremsvorgänge zu verbessern. Auf diese Weise können Ergebnisse erhalten werden, die die ISO 5393 erfüllen.
Vorzugsweise werden periodisch Kalibrierungsläufe ausgeführt, um die Beziehung zwischen dem auf die elektrohydraulische Einrichtung ausgeübten Drück und dem auf die Welle ausgeübten Drehmoment zu überprüfen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Systemstruktur eines erfindungsgemäßen Verbindungssimulators oder Simulationsprüfstands, wobei die Bremse und die Einrichtung zum Überwachen und Steuern ihrer Betätigung dargestellt sind;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer in der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Simulationsprüfstands verwendeten Bremse;
3 zeigt eine vertikale Querschnittansicht durch die Mitte der Bremse in 2;
4 zeigt einen horizontalen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in 3;
5 zeigt einen ähnlichen horizontalen Querschnitt wie 4, jedoch durch eine Bremse einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, in der eine andere Drehmomentmeßanordnung verwendet wird als in den 2 bis 4;
6 zeigt einen axialen Teil-Querschnitt durch die Mitte einer Bremse einer dritten Ausführungsform der Erfindung zum Darstellen einer Anordnung zum Zurückstellen und Zentrieren der Bremsschuhanordnung;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt einer zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Simulationsprüfstand geeigneten Kolbenvorrichtung;
8 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Kolbenvorrichtung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Simulationsprüfstand;
9 zeigt eine Systemstruktur für den dreistufigen Kolben von 8 in einem erfindungsgemäßen Simulationsprüfstand;
10 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Simulationsprüfstands unter Verwendung des Kolbens und der Systemstruktur in den 8 bzw. 9;
11 zeigt eine Ansicht der Bremse von 10, wobei die obere Platte der Bremse entfernt ist;
12 zeigt eine Seitenansicht teilweise im Aufriß einer in einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Simulationsprüfstands verwendeten Bremse;
13 zeigt eine schematische Ansicht der Bremse von 12 und der Ventile, die die Betätigung der Bremse steuern;
14 zeigt eine Kennlinie eines Drehmoments als Funktion des Winkels für ein Impulswerkzeug, das ein Drehmoment auf eine idealisierte Verbindung ausübt;
15 zeigt eine Kennlinie eines Drehmoments als Funktion der Zeit für ein Impulswerkzeug, das ein Drehmoment auf eine idealisierte Verbindung ausübt;
16 zeigt eine Kennlinie eines Drehmoments als Funktion des Winkels für ein Impulswerkzeug, wenn der Simulationsprüfstand eine weiche Verbindung simuliert; und
17 und 18 zeigen Diagramme zum Darstellen einer Verbindungsabbildung oder -zuordnung.
Gemäß den 1 bis 4 weist eine Bremse 1 eine Welle 2 mit einem Eingangsantriebselement 3 auf, das ein Schraubenkopf oder ein Aufsatz bzw. eine Buchse sein kann, der/die mit einem angetriebenen Werkzeug in Eingriff gebracht werden kann. Die Welle ist in einer zylindrischen Öffnung 4 zwischen den Backen einer Bremsschuhanordnung 5 aus Phosphorbronze aufgenommen. Für andere Drehmomentberei che wären andere Reibungsmaterialien geeignet. Beispielsweise hat sich gezeigt, daß eine herkömmliche Reibungsbremsenauflage für die Bremsschuhanordnung 5 bevorzugt ist. Die Bremsschuhanordnung 5 ist in einem Gehäuse angeordnet, das Seiten- und Endplatten 6 und eine obere und eine untere Platte 7 aufweist.
Die Backen der Bremsschuhanordnung 5 sind derart im Gehäuse montiert, daß sie frei zueinander hin verschiebbar sind, um mit der Welle in Eingriff zu kommen und die Welle abbremsen, oder voneinander weg bewegbar sind, um die Welle freizugeben. Sie können sich über einen Abstand von etwa 3 mm bewegen.
Im Gehäuse ist eine Kolbenanordnung 11 zum Steuern der durch die Bremsschuhanordnung 5 auf die Welle 2 ausgeübten Bremskraft fest und stabil montiert. Ein Plunger 10 der Kolbenanordnung steht mit der Bremsschuhanordnung 5 in Kontakt und wird dazu verwendet, die Backen der Bremse zusammenzudrücken, um die Welle abzubremsen. Die Kraft, die der Plunger 10 auf die Bremsschuhanordnung 5 ausübt, ist vom Druck P des Öls abhängig, das in die Kolbenanordnung 11 gezwungen wird. Um zu gewährleisten, daß diese Kraft auch am unteren Ende des Druckbereichs präzise steuerbar ist, weist die Kolbenanordnung 11 einen im Hauptplunger 10 angeordneten Miniaturplunger 19 auf.
Die Funktionsweise der Doppelplunger-Kolbenanordnung wird nachstehend unter Bezug auf 7 erläutert, die eine schematische Darstellung der Kolbenanordnung 11 zeigt.
Gemäß 7 weist die Kolbenanordnung 11 einen ölgefüllten Zwischenraum 26 auf, der über ein Ventil 27 mit einem Speicherbehälter 28 verbunden ist. Wenn das Ventil 27 offen ist, kann Öl frei aus dem Zwischenraum 26 herausströmen, wenn der Hauptplunger 10 sich in der Figur nach links bewegt. Wenn der Hauptplunger 10 sich in der Figur nach rechts bewegt, wird das Öl in den Zwischenraum 26 zurückgezogen. Daher bewegt sich, wenn ein Öldruck P auf den Kolben ausgeübt wird, der Hauptplunger 10 nach links. Die durch den Hauptplunger 10 auf die Bremse ausgeübte Kraft beträgt PXπR², wobei R den Radius des Axialdruckbereichs des Hauptplungers 10 bezeichnet.
Wenn das Ventil 27 geschlossen ist, wird Öl im Zwischenraum 26 eingeschlossen. Wenn ein Druck P auf den Kolben ausgeübt wird, kann der Hauptplunger 10 sich nicht bewegen (die Komprimierbarkeit des Öls ist vernachlässigbar). Dadurch wird der Miniaturplunger 19 in der Figur zu einer Bewegung nach links gezwungen. Die durch den Miniaturplunger 19 auf die Bremse ausgeübte Kraft beträgt PXπr², wobei r den Radius des Axialdruckbereichs des Miniaturplungers 10 bezeichnet.
Das Ventil ist geschlossen, wenn die gewünschte Bremskraft niedrig ist, und das Ventil ermöglicht am unteren Ende des Betriebs- oder Arbeitsbereichs wesentlich feinere und präzisere Einstellungen der auf die Bremse ausgeübten Kraft.
Die 1 bis 4 zeigen eine erste mögliche Anordnung zum Vorspannen der Backen des Bremsschuhs in einen offenen Zustand. Vorsprünge 12 auf den Backen der Bremsschuhanordnung 5 erstrecken sich durch Langlöcher 13 in der oberen Platte 7. An den Vorsprüngen 12 und an festen Vorsprüngen 15 auf der oberen Platte 7 befestigte Federn 14 ziehen die Backen der Bremsschuhanordnung 5 auseinander, wenn keine Kraft darauf wirkt.
6 zeigt eine alternative und bevorzugte Anordnung zum Zurückstellen und Zentrieren der Backen der Bremsschuhanordnung. In dieser Anordnung werden die Backen der Bremsschuhanordnung 5 durch mehrere Federn auseinandergedrückt, die entlang der Länge der Backen (in diesem Querschnitt nicht sichtbar) in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Um zu gewährleisten, daß die Backen der Bremsschuhanordnung um die Welle 2 herum zentriert bleiben, weisen die Backen Vertiefungen 38 auf, in denen ein Zentrierring 39 angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, daß die Federn eine der Backen der Bremsschuhanordnung 5 wesentlich von der Welle weg drükken, während die andere Backe mit der Welle in Kontakt bleiben kann. Außerdem zeigt 6 eine als "Staubfänger" wirkende Vertiefung 40. Diese Vertiefung sammelt jegliches Material, das von der Welle oder von der Bremsschuhanordnung abgerieben wird, wenn diese beiden Komponenten miteinander in Kontakt gezwungen werden. An der Basis der Welle ist ein Winkeltransducer 21 erkennbar. Dieser Transducer wird während des Einrichtens oder Einstellens und Kalibrierens der Vorrichtung verwendet, wie nachstehend beschrieben wird, und mißt den Winkel α, über den die Welle 2 sich während eines Bremsvorgangs dreht.
In der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform wird die Reaktionskraft, die verhindert, daß die gesamte Bremsschuhanordnung 5 sich verdreht, wenn sie ein Bremsdrehmoment auf eine Welle ausübt, durch eine entlang der Bremse angeordnete Kraftmeßdose 16 bereitgestellt. Die Kraft wird über eine Reaktionsplatte 17 und einen Reaktionsarm 18 übertragen. Der Meßwert dieser Kraft kann zum Anzeigen der Größe des Bremsdrehmoments T verwendet werden.
In 1 werden die Ausgangswerte τ und α von der Kraftmeßdose 16 und vom Winkeltransducer 21 einem Controller zugeführt. Außerdem wird dem Controller ein Druckeingangswert P zugeführt, der von einer zwischen den Plungern 10 und 19 des Kolbens 11 und der Bremsschuhanordnung 6 angeordneten Kraftmeßdose 20 (3) oder durch eine Messung des Drucks in einer Arbeitskammer 30 der in 9 dargestellten Kolbenanordnung durch einen Drucktransducer 41 erhalten wird.
Der Controller empfängt außerdem ein Bedarfs-Eingangssignal. Der Controller steuert den durch den Kolben auf die Bremse ausgeübten Druck, wie später ausführlicher beschrieben wird.
In der Ausführungsform von 5 wird die Drehmomentmessung auf eine alternative Weise ausgeführt, durch die die Wirkungen der Trägheit der Anordnung eliminiert werden. Die Bremskraft wird über eine Axialkraft ausübende Schuhe 22 und ein Lager 23 auf die Bremsschuhanordnung 5 ausgeübt. Die Reaktionskraft, die diese Axialkraft in ein Drehmoment umwandelt, durchläuft ein Paar freitragende Träger 24 und Kraftmeßdosen 25. Über das Lager 23 kann eine Axialkraft, jedoch kein Drehmoment vom Gehäuse auf die Bremsschuhanordnung übertragen werden. Daher ist die einzige Kraft, die verhindert, daß die Bremsschuhanordnung sich verdreht, wenn sie eine Bremskraft auf die Welle ausübt, die Widerstandskraft der beiden freitragenden Träger 24, an denen jeweils zwei Dehnungsmesser oder -streifen 25 befestigt sind. Die Meßwerte der Dehnungsmesser oder -streifen zeigen das durch die Bremsschuhanordnung auf die Welle ausgeübte Drehmoment direkt an. Durch die Trägheit der restlichen Teile der Anordnung wird keine Störung verursacht.
Die 8, 9, 10 und 11 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei eine dreistufige Kolbenanordnung verwendet wird, um zu ermöglichen, daß sowohl hohe als auch niedrige exakte Kräfte ausgeübt werden können. Die Kolbenanordnung von 8 weist einen Hauptplunger 10 und einen Miniaturplunger 19 auf, wie unter Bezug auf 7 beschrieben wurde.
Die untere Hälfte von 8 ist im Aufriß dargestellt, um den Miniaturplunger 19 darzustellen. Außer dem Miniaturplunger 19 und dem Hauptplunger 10 weist die Kolbenanordnung einen Verstärkerplunger 29 auf.
9 zeigt die Steuerschaltung, die Ventile 27, 32 und 33, einen Speicherbehälter 28, ein Steuer-Servoventil 34, einen Druckspeicher 35, ein Netzgerät 36, ein Filter 37, ein Umgehungsventil 40 und einen Drucktransducer 41 aufweist.
Um einen Druck über den Miniaturplunger 19 auszuüben, wird das Ventil 27 geschlossen, und ein Öldruck wird an einem Port B einem Bereich 30 zugeführt. Der Hauptplunger 10 kann sich nicht bewegen, so daß der Miniaturplunger in der Figur nach rechts gezwungen wird. Die ausgeübte Kraft ist gering und bei niedrigen Werten leicht einstellbar.
Um einen Druck durch den Hauptplunger 10 auszuüben, wird das Ventil 27 geöffnet, und ein Druck wird über den Port B der Arbeitskammer 30 zugeführt. In diesem Fall wird der Hauptplunger in der Figur nach rechts bewegt. Die ausgeübte Kraft ist für einen vorgegebenen Druck höher, aber bei niedrigeren Kräften weniger gut steuerbar.
Um höhere Kräfte zu erzeugen, kann der Verstärkerplunger 29 durch Zuführen eines Drucks zu einer Kammer 31 der Kolbenanordnung verwendet werden, wobei kein Rückfluß über den Port B zugelassen und das Ventil 27 offen gehalten wird.
Die 10 und 11 zeigen einen Verbindungssimulator bzw. einen Simulationsprüfstand, in dem der Verstärkerplunger und die Systemstruktur der 8 und 9 verwendet werden. Die Ventile 27, 32, 33 und 40 und das Servoventil 34 sind in der Darstellung an den Seiten der Kolbenanordnung 11 befestigt, die auf die Bremsschuhanordnung 5 (11) wirkt. Der Drucktransducer 41 mißt den Druck in der Arbeitskammer 30 des Kolbens 11.
Die 12 und 13 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie für die vorangehenden Ausführungsformen. Daher weist die Bremse eine Welle 2 auf, die sich in Lagern 50 frei drehen kann. Die Welle 2 ist in den Backen einer Bremsschuhanordnung 5 aufgenommen, die direkt auf die Welle wirkt, so daß die Trägheit der drehbaren Teile so klein wie möglich gehalten wird.
Im Gegensatz zur Ausführungsform der 3 bis 5, in denen nur ein Kolben hydraulisch gesteuert wird und nur eine Reaktionskraft verwendet wird, um eine Reibungsbremskraft auf die gegenüberliegende Seite der Drehwelle 2 auszuüben, wird in der in den 12 und 13 dargestellten Ausführungsform eine Hydrauliksteuerung auf beide Backen der Bremsschuhanordnung 5 ausgeübt, und die Kolbenanordnung an jeder Seite der Welle 2 ist eine doppelt-wirkende Kolbenanordnung. Durch schwache Federn 51 wird vorteilhaft verhindert, daß die Backen der Bremsschuhanordnung 5 aneinander anhaften. Die Bewegung der Backen zur Welle 2 hin und von der Welle weg wird in dieser Ausführungsform jedoch hydraulisch erzeugt, und durch eine geeignet präzise Steuerung des Freigabedrucks der hydraulischen Bremse können die Federn 51 weggelassen werden.
Wie insbesondere in 13 dargestellt ist, führt ein Servoventil 34 Öl über die Ventile 53 und 54 Arbeitskammern 30 zu, wodurch die Hauptplunger 10 oder die Miniaturplunger 19 gegen die Backen der Bremsschuhanordnung 5 gezwungen werden. Dadurch wird die Bremse betätigt. Um die Bremse zu lösen, wird den Kammern 57 und 58 Druck zugeführt, wodurch die Hauptplunger 10 oder die Miniaturplunger 19 sich von der Welle 2 weg bewegen.
Im dargestellten spezifischen Servoventil muß permanent eine geringe Ölmenge durch das Servoventil fließen, auch wenn es effektiv geschlossen ist, um seine Funktion zu gewährleisten. Dieses Öl zirkuliert über das Umgehungsventil 41. Alternativ kann ein Servoventil verwendet werden, das die Leistung zum Bewegen eines Ventilschiebers von einem DC- Stellglied erhält. In diesem Fall wäre das Umgehungsventil 41 nicht erforderlich.
Ein Ventil 59 ermöglicht, daß Öl aus den Kammern 57 herausgedrückt wird, wenn der Hauptplunger 10 arbeitet, es verhindert jedoch, daß Öl aus der Kammer 47 herausströmt, wenn der Miniaturplunger verwendet werden soll. Dies entspricht der Arbeitsweise der vorstehend unter Bezug auf 10 beschriebenen Haupt- und Miniaturplunger.
Es hat sich gezeigt, daß die Vorrichtung von 4 am Anfang der Drehmomentzufuhr das Drehmoment nicht immer auf eine gleichmäßig zunehmende Weise ausübt. Eine Backe der Bremsschuhanordnung 5 kann zuerst mit der Welle 2 in Kontakt kommen, und die andere Backe wird kurze Zeit später in Kontakt mit der Welle gezogen. Während nur eine Backe mit der Welle in Kontakt steht, entsteht nur eine vernachlässigbare Bremswirkung, weil der auf die einzelne Backe ausgeübte Druck allmählich von null ausgehend zunimmt. Wenn die zweite Backe mit der Welle in Kontakt kommt, nimmt das ausgeübte Drehmoment sehr schnell zu.
Für relativ große Drehmomente hat dieser Drehmomentsprung am Anfang des Bremsvorgangs eine vernachlässigbare Wirkung auf das Gesamtverhalten oder die Gesamtleistung des Prüfstands. Für kleinere Drehmomentwerte kann dieser Sprung jedoch wesentlich sein. Dieses Problem wird folgendermaßen gelöst.
Gemäß 12 ist ein kleiner Meßfühler 60 an jeder Backe der Bremsschuhanordnung 5 befestigt. Der Meßfühler 60 ist so angeordnet, daß er über einen Block 61 mit der Erde in elektrischem Kontakt kommt, wenn die Backe der Bremsschuhanordnung 5 unmittelbar davorsteht, mit der Welle 2 in Kontakt zu kommen. Der Plunger 60 ist vom Block 61 weg geringfügig vorgespannt. Der Block 61 wird durch einen Belleville-Ring reibungsschlüssig gehalten. Dadurch drückt, wenn die Bremsschuhe oder die Welle 2 verschleißen, der Plunger den Block 61 weiter zur Mitte der Welle hin. Dadurch wird eine Selbstkalibrierung ermöglicht, um Verschleiß zu kompensieren.
Wenn eine Backe der Bremsschuhanordnung 5 früher als die andere Backe unmittelbar davorsteht, mit der Welle 2 in Kontakt zu kommen, wird dieser Zustand durch die vorstehend erwähnte Meßfühleranordnung erfaßt. Daraufhin wird das geeignete der Ventile 53 und 54 geschlossen, um zu verhindern, daß die Backe sich weiter bewegt und die Welle 2 berührt. Es kann weiterhin Öl durch das andere der beiden Ventile 53, 54 strömen, um zu ermöglichen, daß die andere Backe des Bremsschuhs "aufholt". Wenn diese zweite Backe ebenfalls eine Position erreicht, bei der sie unmittelbar davorsteht, mit der Welle 2 in Kontakt zu kommen, werden beide Ventile geöffnet, und beiden Backen der Bremsschuhanordnung wird wieder ein zunehmender Druck zugeführt.
Der wahre Testlauf beginnt bei einem sehr niedrigen Schwellendrehmoment δT, das darstellt, daß die Backen des Bremsschuhs gerade mit der Welle in Kontakt stehen.
Wie vorstehend erläutert wurde, hat sich gezeigt, daß, wenn der Prüfstand mit Impulswerkzeugen verwendet wird, die Trägheit des Prüfstands noch wichtiger ist als anfangs vermutet wurde. In der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform wird das Drehmoment unter Verwendung einer Kraftmeßdose 16 gemessen, um die Reaktionskraft zu messen, die erforderlich ist, um zu verhindern, daß die gesamte Bremsenanordnung sich verdreht, wenn sie ein Bremsdrehmoment auf eine Welle ausübt. Hierbei ist eine gewisse Bewegung der Bremsenanordnung erforderlich, um die Reaktionskraft zu messen, auch wenn die Bewegung sehr klein ist. Es hat sich gezeigt, daß die Trägheit der beweglichen Teile eine Verzögerung bei der Drehmomentmessung verursacht. Daher kommt es vor, daß bei einem Impulswerkzeug die Bewegung der Welle nicht mit dem ausgeübten Drehmoment synchronisiert ist. Dies erklärt die Diskrepanz zwischen dem oberen Graphen in 14 (für eine ideale Verbindung) und der durchgezogenen Linie im mittleren Graphen von 14 (für das scheinbare Verhalten des erfindungsgemäßen Simulationsprüfstands). Durch das vorstehend beschriebene Verfahren entstehen keine Probleme bei Winkel-Mutteraufschraubgeräten, lediglich Impulswerkzeuge werden wesentlich beeinflußt.
In der Ausführungsform von 5 wird das Drehmoment auf eine alternative Weise gemessen, durch die die Wirkung der Trägheit der Bremsenanordnung reduziert wird. Hierbei durchläuft die Reaktionskraft ein Paar freitragende Träger 24 und wird durch Kraftmeßdosen 25 gemessen. In dieser Ausführungsform müssen sich nur die Backen der Bremsschuhanordnung geringfügig bewegen, um das Drehmoment messen zu können. Die Wirkung der Trägheit dieser Bremsschuhbacken darf nicht so groß sein, daß die vorstehend erwähnten Probleme auftreten.
In der Ausführungsform von 13 wird ein In-line-Transducer verwendet, um das Drehmoment direkt an der Welle zu messen. Die Bremsschuhanordnung wird im Gehäuse stabil gehalten. Obwohl hierdurch das Trägheitsmoment der Welle geringfügig zunimmt, wird die Verzögerung in der Drehmomentmessung vermieden, die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen aufgrund der Trägheit der Bremsschuhanordnung bzw. des Gehäuses auftrat.
Ein erfindungsgemäßer Prüfstand ist in der Lage, die Trägheit von Verbindungselementen, die mit einen höheren Drehmoment befestigt werden, sehr gut zu reproduzieren. Für Verbindungselemente, die mit einem niedrigeren Drehmoment befestigt werden, kann die Trägheit innerhalb der Größenordnung einer geeigneten Trägheit eines Verbindungselements gehalten werden. Diese Leistungsfähigkeit kann erreicht werden, indem die Anzahl der beweglichen Teile minimal gehalten wird.
Verbindungselemente werden hinsichtlich ihrer Drehmomentkapazitäten klassifiziert. Beispielsweise kann ein M4-Verbindungselement mit Drehmomenten bis zu 2 Nm festgezogen werden, während ein M14-Verbindungselemnt Drehmomenten bis zu 400 Nm widerstehen kann. Natürlich ist ein M14-Verbindungselement wesentlich größer als ein M2-Verbindungselement und besitzt eine größere Trägheit. Die Trägheit eines gesamten Verbindungselementsystems kann quantifiziert werden. Es hat sich gezeigt, daß auch für die größten zu simulierenden Drehmomentbereiche der Verstärkerkolben 29 von 9 in der vierten Ausführungsform der Erfindung nicht erforderlich ist. Der erforderliche Drehmomentbereich kann durch einfaches Umschalten auf einen höheren Druckbereich der Hydraulikpumpe erhalten werden, die dem Regelventil 34 Öl zuführt, wobei z. B. von einem maximalen Pumpendruck von 50 Bar auf einen Druck von 100 bar umgeschaltet wird.
Arbeitsweise des Simulationsprüfstands
Im allgemeinen simuliert der Simulationsprüfstand das Verhalten einer in der ISO 5393 definierten idealen Verbindung. Gemäß dieser Norm muß, wenn das ausgeübte Drehmoment als Funktion des Winkelversatzes dargestellt wird, die erhaltene Kurve von 5% bis 100% des Prüfdrehmomentwertes eine gerade Linie sein. Der Gradient der Linie hängt von der Drehmomentrate des Prüfstandes ab, und für eine Verbindung, bei der eine niedrigere Drehmomentrate erforderlich ist, ist eine etwas größere Abweichung von der geraden Linie zulässig als für eine Verbindung, bei der eine hohe Drehmomentrate erforderlich ist.
Um ein Werkzeug unter Verwendung eines Simulationsprüfstandes zu messen, bringt eine Bedienungsperson das Werkzeug mit dem Eingangsantriebselement 3 (3) auf die gleiche Weise in Eingriff wie es mit einem zu befestigenden Bolzen oder Aufsatz in Eingriff gebracht würde. Dann wird ermöglicht, daß das Werkzeug die Welle 2 (4) über den Bolzenkopf 3 unter Bedingungen, in denen keine Belastung ausgeübt wird, für einen Moment frei dreht. Dadurch wird die Drehbewegung der Verbindung in einer Phase simuliert, bevor das Festziehen der Verbindung beginnt. Anschließend überträgt der Servocontroller Signale an das Servoventil, um den Kolben 11 zu aktivieren und die Bremse zu betätigen. Die durch die Bremse ausgeübte Kraft wird auf eine nachstehend ausführlicher beschriebene Weise mit der Zeit erhöht, bis ein maximales Prüfdrehmoment erreicht ist. Um die Norm ISO 5393 zu erfüllen, sollte die Erhöhung des Drehmoments mit dem Winkelversatz der Welle einer geraden Linie zwischen vorgegebenen Maximal- und Minimalwerten folgen.
Kalibrierung des Simulationsprüfstandes
Bevor der Simulationsprüfstand zum Prüfen eines angetriebenen Werkzeugs verwendet werden kann, muß als Kennlinie des Simulationsprüfstandes die Beziehung zwischen dem über den Kolben auf die Bremse ausgeübten Druck und dem auf die Welle ausgeübten Bremsdrehmoment bestimmt werden.
Der Kalibrierungsprozeß wird ausgeführt, indem ein "Referenz"-In-line-Drehmoment- und Winkeltransducer auf dem Eingangsantriebselement 3 angeordnet und die Bremse über Transducer mit einem geeignet ausgelegten Nicht-Impulswerkzeug angetrieben wird. Die Welle wird dann durch kontinuierliches Ausüben eines hohen Drucks auf die Bremse in Position blockiert. Dieser Druck sollte höher sein als der zum Erzeugen des maximalen Drehmoments des zu kalibrierenden Be reichs erforderliche Druck. Wenn beispielsweise der In-line-Transducer für den Bereich 0–50 Nm kalibriert werden soll, würde ein Druck ausgeübt, der es der Bremse ermöglichen würde, einem Drehmoment von 60 Nm zu widerstehen.
Es wird ein Werkzeug zum Ausüben eines Drehmoments über einen externen Drehmomenttransducer, wie beispielsweise CHECKSTAR (Marke), auf die Welle verwendet. Das erste ausgeübte Drehmoment beträgt beispielsweise 20% des maximalen Kalibrierungsdrehmoments, d. h. im vorliegenden Beispiel 10 Nm. Daher verwendet eine Bedienungsperson das Werkzeug, um ein Drehmoment von 10 Nm auszuüben. Das Drehmomentausgangssignal des CHECKSTAR-Transducers wird dem Controller des Simulationsprüfstandes zugeführt. Das Ausgangssignal des In-line-Transducers des Prüfstandes wird ebenfalls dem Controller zugeführt. Die beiden Meßwerte werden miteinander verglichen, um den In-line-Transducer zu kalibrieren.
Es ist wichtig, daß für jeden Drehmomentwert mehrere reproduzierbare Meßwerte erhalten werden. Es ist nicht kritisch, wenn die Meßwerte exakt 20%, 40%, usw. des maximalen Drehmoments entsprechen, um eine erfolgreiche Kalibrierung zu erhalten, sollten die fünf Meßwerte jedoch gleich sein. Es wird ein System von Lampen verwendet, um eine Bedienungsperson dabei zu unterstützen, dies zu erreichen. Die Bedienungsperson setzt das Werkzeug, das ein einfacher Hebeldrehmomentschlüssel ist, auf die Welle auf und zieht das Werkzeug an, um ein Drehmoment zu erzeugen. Es ist wichtig, daß die Bedienungsperson eine einfache Rückkopplung erhält, um sie darüber zu informieren, wenn das Drehmoment sich dem Soll-Drehmomentwert nähert. Daher blinkt, wenn kein Drehmoment ausgeübt wird, ein orangefarbenes Licht langsam. Wenn das ausgeübte Drehmoment sich dem Soll-Drehmomentwert nähert, nimmt die Blinkfrequenz zu. Wenn das Drehmoment ausreichend lange auf dem Sollwert gehalten wird, damit die Ma schine den Drehmomentwert geeignet abtasten kann, zeigt ein grünes Licht die erfolgreiche Messung an. Wenn die Bedienungsperson zu schnell ist und der Abtastvorgang fehlschlägt, wird ein rotes Licht aufleuchten und anzeigen, daß dieser Schritt des Kalibrierungsprozesses wiederholt werden muß. Meßwerte werden beispielsweise bei 20%, 40%, 60%, 80% und 100% des maximalen zu kalibrierenden Drehmoments aufgenommen.
Auf diese Weise kann der In-line-Transducer kalibriert werden, ohne daß die Welle bewegt werden muß.
Die Kalibrierung muß in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden, um zu gewährleisten, daß die Beziehung zwischen dem ausgeübten Druck und dem Drehmoment sich nicht ändert. Eine solche Änderung könnte durch sich ändernde innere Reibungskräfte im Kolben und/oder in den Bremsschuhen bzw. in der Welle verursacht werden. Anstatt den Druck zu verwenden, kann das Drehmoment in der in den 2–4 dargestellten Ausführungsform analog auch permanent durch Messen der auf die Kraftmeßdose 16 ausgeübten Kraft direkt gemessen werden. Es muß berücksichtigt werden, daß am unteren Ende des Bremsenbetätigungsbereichs die Empfindlichkeit und die Genauigkeit reduziert sein könnten. Dies ist der Fall, weil die Hydraulikölzufuhr zum Kolben über einen Schlauch erfolgen muß, der, weil er flexibel ist, eine Kraft auf die Bremse ausübt, die die Wirkung eines niedrigen Drehmoments überdecken kann. Außerdem kann bei hohen Drehmomenten die Ablenkung der Kraftmeßdose selbst wesentlich werden, wobei dieser Effekt, in Kombination mit der relativ großen Masse der Bremse, bei kurzzeitigen Impulsen tendenziell eine dämpfende Wirkung auf ein hohes Drehmoment hat. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform, bei der die Kraft in den Dehnungsmessern oder -streifen 25 gemessen wird, ist dieses Problem eliminiert.
Wenn die Bremse einmal kalibriert worden ist, kann sie zum Prüfen eines Werkzeugs verwendet werden. Wenn ein Testlauf beginnt, muß die Bedienungsperson folgende Informationen eingeben:

(a) erwartete Maximalleistung des Werkzeugs;
(b) die erforderliche ISO-Kurve (hart oder weich);
(c) ob das Werkzeug ein Impulswerkzeug ist oder nicht;
(d) eine Referenznummer oder einen Code, der für eine spätere Abfrage verwendbar ist; und
(e) die erforderliche Abtastgröße.

Nicht-Impulswerkzeuge
Dann wird ein "Lerndurchlauf" folgendermaßen ausgeführt:
Das Werkzeug wird mit der Bremse so verbunden, daß es mit dem Eingangsantriebselement in Eingriff kommt, und die Bedienungsperson wird angewiesen, das Drosselventil offen zu halten, bis das Werkzeug durch die innere Kupplung des Werkzeugs oder einen Abschaltmechanismus gestoppt wird oder die Bremse einen Abwürgezustand erfaßt.
Während das Werkzeug mit dem Eingangsantriebselement der Bremse in Eingriff gehalten wird, wird der Welle anfangs ermöglicht, sich frei zu drehen, so als ob die Verbindung noch nicht begonnen hat zu greifen. Der Controller betätigt dann das Servoventil, um über den Kolben einen Druck auf die Bremse auszuüben. Der erste ausgeübte Druck wird beispielsweise ein Druck sein, durch den veranlaßt wird, daß die Bremse 10% des erwarteten maximalen Drehmoments des Werkzeugs ausübt. Dieser Druck ist aufgrund der im voraus ausgeführten Druck-Drehmoment-Kalibrierung bekannt. Der Druck wird dann etwa in 10%-Schritten erhöht, bis die Drehbewegung des Werkzeugs stoppt. Die Zeit, über die die Druckerhöhung stattfindet, ist von einer groben Anfangsschätzung abhängig, gemäß der abgeschätzt wird, durch welche Drehmoment-Zeit-Kurve die gewünschte Drehmoment-Winkel-Kurve erhalten wird. Bei jedem Schritt registriert der Controller das ausgeübte Drehmoment, den Bewegungswinkel und die verstrichene Zeit und speichert die Werte in der Display- und Datenerfassungseinrichtung. Außerdem können Meßwerte der Ausgangsleistung, der Drehzahl, usw. für eine zukünftige Bezugnahme aufgenommen werden.
Der Controller kennt die gewünschte Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Winkel anhand der erforderlichen ISO-Kurve. Nach dem Lerndurchlauf kennt er auch die vollständigen Drehmoment-, Zeit- und Winkeldaten für das spezifische Werkzeug. Der Controller kann daher berechnen, wie er das Drehmoment mit der Zeit modifizieren sollte, um die korrekte Drehmoment-Winkel-Kurve zu erhalten. Die Drehmoment-Zeit-Beziehung wird durch eine gekrümmte Linie dargestellt, um die gewünschte lineare Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Winkel zu erhalten. Eine steile Drehmoment-Zeit-Kurve wird eine harte Verbindung simulieren, und eine flache Drehmoment-Zeit-Kurve wird eine weiche Verbindung simulieren.
Nachdem der Lerndurchlauf ausgeführt worden ist, folgt eine Reihe von "Testdurchläufen":
Die Bremse wird gemäß der berechneten Drehmoment-Zeit-Kurve über mehrere Zyklen betrieben, und für jeden Zyklus werden Werte des Drehmoments und/oder des Drucks und des Bewegungswinkels in einer Zwischendatenbank gespeichert. Die Winkelmessung beginnt, nachdem das Drehmoment einen vorgegebenen Prozentanteil des erwarteten maximalen Drehmomentwertes erreicht hat, z. B. 1%. Am Ende dieser Zyklen wird die Datenbank abgefragt, um zu prüfen, ob die Drehmoment-Zeit-Meßwerte innerhalb der ISO-Toleranzen liegen. Falls dies nicht der Fall ist, wird die Drehmoment-Zeit-Kurve neu be rechnet, der vorherige Ergebnissatz verworfen und die Bedienungsperson angewiesen, die Tests zu wiederholen.
Jeder während des Durchlaufs erhaltene Meßwert für den Winkel oder das Drehmoment würde die während des Durchlaufs verwendete Drehmoment-/Winkel-Kurve nicht ändern, so daß während des Testzyklus die Drehmoment- und Winkelsensoren entfernt werden könnten.
Impulswerkzeuge
Wenn die Bedienungsperson feststellt, daß das Werkzeug ein Impulswerkzeug ist, werden der Lern- und der Testzyklus auf eine etwas andere Weise durchgeführt.
Wenn ein Impulswerkzeug verwendet wird, um eine theoretische Verbindung nach ISO 5393 festzuziehen, sollte die Drehmoment-Winkel-Kennlinie ungefähr eine gerade Linie sein, wie in 14 dargestellt ist. Gemäß der Figur ist ersichtlich, daß das Festziehen der Verbindung durch Bewegen der Verbindung durch einen ersten Impuls über einen Winkel α₁ beginnt. Das Drehmoment nimmt während des Impulses von 0 auf τ₁ zu. Dann bewegt ein zweiter Impuls die Verbindung über einen Winkel α₂, wodurch das Drehmoment von τ₁ auf τ₂ zunimmt, usw., bis ein Drehmoment τ₅ erreicht ist, durch das keine weitere Winkelbewegung mehr verursacht wird. Dies stellt die maximale Leistung oder Kapazität des Werkzeugs dar.
Die durch jeden Impuls des Werkzeugs verrichtete Arbeit ist tendenziell gleich, so daß die Flächen unter den Drehmoment-Winkel-Graphen für jeden Impuls näherungsweise gleich sind.
Für den Graphen von 14 wird vorausgesetzt, daß die Trägheit des rotierenden Teils vernachlässigbar ist. Wenn es eine wesentliche Trägheit besitzen würde, würde nach Abschluß eines Impulses eine weitere Winkelbewegung auftre ten. Es ist ersichtlich, daß zum Simulieren des Verhaltens einer idealen Verbindung beim Prüfen von Impulswerkzeugen die Trägheit des verwendeten Simulationsprüfstands sehr gering sein muß.
15 zeigt einen dreiteiligen Graphen der Beziehung zwischen dem Drehmoment τ und der Zeit t in einem erfindungsgemäßen Simulationsprüfstand bei Verwendung eines Impulswerkzeugs. Der obere Teil des Graphen zeigt eine erwartete (idealisierte und theoretische) Beziehung zwischen dem Drehmoment τ und der Zeit t, wenn Drehmomentzunahmen in diskrete Elemente geteilt werden, die durch die Zeit zwischen den Impulsen getrennt sind. Diese theoretische Beziehung ist für Referenzzwecke in den unteren beiden Teilen von 15 erneut dargestellt, um darzustellen, wie wichtig in einem erfindungsgemäßen Simulationszustand die Zeit zwischen den Impulsen ist, in dem eine Drehmoment-Zeit-Beziehung verwendet wird.
Lerndurchlauf
Dem Werkzeug wird ermöglicht, die Welle für einen Moment zu beschleunigen, wobei jegliche Drehmomentimpulse während dieser Zeitdauer ignoriert werden. Der Controller berechnet eine grob genäherte Drehmoment-Zeit-Kurve, durch die das Werkzeug definitiv gestoppt wird. Um dies sicherzustellen, könnte der Maximalwert des Drehmoments vielleicht auf 125% des maximalen erwarteten Drehmoments gesetzt werden. Dann wird die Bremse gemäß dieser Drehmoment-Zeit-Kurve betätigt, und die Drehmoment-, Zeit- und Winkelwerte werden erfaßt.
Die Vorrichtung handhabt den Impulsbetrieb des Werkzeugs folgendermaßen. Wenn das durch die Bremse ausgeübte Drehmoment einen vordefinierten Schwellenwert (z. B. 1% des erwarteten maximalen Drehmoments) erreicht, stellt dies den Beginn eines Impulses dar, und die Vorrichtung beginnt, das Drehmoment und die Winkelbewegung der Bremsenwelle zu messen. Die Vorrichtung setzt die Messung des Winkels und des Drehmoments fort, bis das Drehmoment unter den Schwellenwert abfällt, und für eine kurze vorgegebene Zeitdauer dort verbleibt (d. h., das Ende des Impulses ist erreicht). Die kurze Zeitdauer kann beispielsweise 5 Millisekunden betragen. Dann kann der Speicher abgefragt werden, um den Drehmoment-Spitzenwert und den zwischen den Schwellenwertkreuzungspunkten gemessenen Winkel zu erhalten. Die exakte Impulsdauer und die Zeiten zwischen den Impulsen können ebenfalls gemessen werden.
Nachdem dieser Lerndurchlauf ausgeführt worden ist, "kennt" die Vorrichtung die Zeitdauer der Impulse und die Beziehungen zwischen dem Drehmomentwinkel und der Zeit innerhalb der Impulse. Dann kann eine Reihe von Testdurchläufen beginnen.
Testdurchläufe
Der erfindungsgemäße Simulationsprüfstand ist sehr vielseitig und kann in Abhängigkeit vom Werkzeugtyp und der erforderlichen Genauigkeit/Wiederholbarkeit verschiedenartige Testdurchläufe ausführen.
Um eine ideale Verbindung so gut wie möglich zu simulieren, kann der Prüfstand das Bremsdrehmoment konstant halten, während Impulse erzeugt werden, und das Bremsdrehmoment nur in den Zwischenräumen zwischen den Impulsen erhöhen. Eine solche Drehmoment-Zeit-Kurve wäre die im mittleren Teil von l5 durch eine durchgezogene fette Linie dargestellte Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Zeit.
Alternativ kann das Bremsdrehmoment mit der Zeit graduell erhöht werden, wie im unteren Teil von 15 durch die durch die Impulse verlaufende durchgezogene fette Linie dargestellt ist. Es hat sich gezeigt, daß hierdurch reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden, die der Norm ISO 5393 sehr gut entsprechen.
16 zeigt ein Diagramm des Drehmoments als Funktion des Winkels für ein Impulswerkzeug, wenn der Simulationsprüfstand eine weiche Verbindung simuliert.
Abbildung der Verbindungen
Ein sehr wichtiges Verfahren, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Prüfstandes ausgeführt werden kann, ist die "Abbildung" realer Verbindungen. Dies ermöglicht es dem Prüfstand, das Verhalten einer realen Verbindung möglichst exakt und reproduzierbar zu simulieren.
Gemäß 17 wird eine Verbindung 63 unter Verwendung eines Werkzeugs 64 festgezogen. Eine Drehmoment- und Winkelmeßvorrichtung oder eine CHECKSTAR- (Marke) Vorrichtung 65 ist zwischen dem Werkzeug und der Verbindung eingefügt, und ihre Ausgangssignale werden einem Controller des Simulationsprüfstands zugeführt, wie in 17 durch eine gestrichelte Linie 66 dargestellt ist. Der Controller zeichnet Werte für die Zeit, das Drehmoment und den Winkel auf, wenn das Werkzeug 64 zum Festziehen der Verbindung 63 verwendet wird. Dadurch wird dem Controller die in 18 dargestellte Information zusammen mit Information über den Zeitpunkt zugeführt, an dem jeder Meßwert erfaßt wurde. Die Form des in 18 dargestellten Graphen ist nicht notwendigerweise repräsentativ für jede typische Verbindung. Der Simulationsprüfstand kann dann näherungsweise die Drehmoment-Zeit-Kennlinie berechnen, die sie erzeugen sollte, um die gleiche Drehmoment-Winkel-Kennlinie wie die dargestellte reale Verbindung zu erhalten. Es können, wie vorstehend beschrieben wurde, mehrere Testdurchläufe ausgeführt werden, um zu ermöglichen, daß schließlich die optimale Drehmoment-Zeit-Kurve erhalten wird.
Theoretisch wird durch einen gekrümmten Drehmoment-Zeit-Graphen eine lineare Drehmoment-Winkel-Beziehung erhalten. Die Kurve der realen Verbindung hat jedoch wahrscheinlich eine komplexe Form. Reproduzierbare und exakte Ergebnisse können jedoch folgendermaßen auch unter Verwendung einer linearen Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Zeit erhalten werden. Gemäß 18 werden das maximal erreichte Drehmoment τMAX und der gesamte Bewegungswinkel αTOTAL gemessen. Der Controller des Simulationsprüfstands berechnet dann eine näherungsweise lineare Drehmoment-Zeit-Kennlinie, durch die erreicht wird, daß die Welle sich ungefähr über einen Winkel αTOTAL bewegt, wenn das ausgeübte Drehmoment τMAX beträgt. Wenn der Bewegungswinkel zu groß oder zu klein ist, wird unter Verwendung einer geeignet modifizierten Drehmoment-Zeit-Kennlinie ein weiterer Lerndurchlauf ausgeführt. Wiederholte Lerndurchläufe ermöglichen es dem Simulationsprüfstand, die gewünschte Drehmoment-Winkel-Beziehung allmählich "anzusteuern".
Obwohl durch Annähern der Drehmoment-Zeit-Kurve an eine gerade Linie gute Ergebnisse erhalten werden können, kann der Simulationsprüfstand eine reale Verbindung exakter simulieren. Eine komplexe Kurve kann in Abschnitte geteilt werden und unter Verwendung aufeinanderfolgender Näherungs- und/oder "Best Fit"-Techniken analysiert werden. Der Simulationsprüfstand kann dann eine geeignete Drehmoment-Zeit-Kurve verwenden, um die reale Verbindung sehr exakt zu simulieren.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren können die Eigenschaften einer spezifischen Verbindung exakt und konsistent reproduziert werden. Der Controller führt alle erfor derlichen Berechnungen aus, so daß die Bedienung für eine Bedienungsperson einfach ist.
Weil der Prüfstand das Drehmoment anstatt anhand des Winkels bezüglich der Zeit steuert, ist während des Prüfvorgangs keine Rückkopplung erforderlich. Es hat sich gezeigt, daß, wenn sehr harte Verbindungen abgebildet werden – gemäß ISO 5393 oder noch härtere Verbindungen – die vom Schwellenwert bis zum vollen Drehmoment der geprüften Werkzeuge verstrichene Zeit etwa 3 bis 5 Millisekunden betragen kann. Dies gilt für Werkzeuge, die mit normalen Drehzahlen im Drehmomentbereich von 30 bis 75 Nm betrieben werden. Es kann eine glatte Änderung der Bremswirkung im erwähnten Drehmomentbereich und innerhalb der beobachteten Gesamtzeiten erzeugt werden. Es wäre unmöglich, das Drehmoment bei solchen Drehzahlen kontinuierlich inkrementell zu erhöhen, und kein System, das während des Prüfvorgangs auf eine Rückkopplung angewiesen ist, könnte möglicherweise schnell genug reagieren, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.

Claims

Prüfstand mit regelbarer Leistung mit: einem Gehäuse (6, 7); einer im Gehäuse (6, 7) angeordneten Welle (2); einer Einrichtung (3) zum Verbinden eines zu prüfenden Werkzeugs mit der Welle; und einer Bremseinrichtung (1) zum Ausüben eines Bremsdrehmoments auf die Welle (2); dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung (1) aufweist: eine Bremsschuhanordnung (5), die durch eine elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung (11) betätigbar und so angeordnet ist, daß sie im Betrieb direkt auf die Außenumfangsfläche der Welle (2) wirkt, um ein Reibungsbremsdrehmoment darauf auszuüben; und einen Computer zum Steuern des auf die elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung (11) ausgeübten Drucks als Funktion der Zeit, wobei der Computer so angeordnet ist, daß er im Betrieb den ausgeübten Druck über eine Zeitdauer, die variabel ist, um die Härte der simulierten Verbindung widerzuspiegeln, von einem eingestellten Schwellenwert auf einen Maximalwert ändert.
Prüfstand nach Anspruch 1, ferner mit einer Einrichtung (16, 18) zum Messen des auf die Welle ausgeübten Brems drehmoments (τ) und des Winkels (α), über den die Welle (2) sich dreht.
Prüfstand nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (16, 18) zum Messen des auf die Welle ausgeübten Bremsdrehmoments (τ) eine Kraftmeßdose (16) zum Messen der auf das Gehäuse (6, 7) ausgeübten Reaktionskraft aufweist.
Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Welle (2) außer Traglagern an ihren entgegengesetzten Enden keine weiteren drehbaren Teile trägt, deren Durchmesser größer ist als der Wellendurchmesser, auf den die Bremsschuhanordnung (5) wirkt.
Prüfstand nach Anspruch 4, wobei die Bremsschuhanordnung (5) einen ersten und einen zweiten Bremsschuh (5, 5) aufweist, die unter der Steuerung unabhängiger variabler elektrohydraulischer Drücke auf gegenüberliegende Seiten der Welle (2) wirken.
Prüfstand nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Bremsschuhanordnung (5) in einem Axiallager (23) im Gehäuse (6, 7) montiert ist.
Prüfstand nach Anspruch 6, wobei die Drehbewegung der Bremsschuhanordnung durch einen oder mehrere Freiträger (24) verhindert wird, und wobei die Freiträger (24) Dehnungsmesser zum Messen des auf die Bremsschuhanordnung (5) ausgeübten Reaktionsdrehmoments und damit des auf die Welle (2) ausgeübten Drehmoments aufweisen.
Prüfstand nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei eine Einrichtung (14; 51) bereitgestellt wird, die die Bremsschuhanordnung (5) in eine Richtung vorspannt, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der sie mit der Welle (2) in Kontakt kommt.
Prüfstand nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung (14; 51) zum Vorspannen der Bremsschuhanordnung (5) in eine Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der sie mit der Welle (2) in Kontakt kommt, eine doppelwirkende Kolbeneinrichtung zum Ausüben und Freigeben des Reibungsbremsdrehmoments aufweist.
Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bremseinrichtung (1) zum Ausüben des Bremsdrehmoments auf die Welle (2) eine Kolbenanordnung (11) mit mehr als einem Plunger (10, 19) aufweist, wobei die Plunger (10, 19) verschiedene Schubflächen (πR², πr²) aufweisen.
Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Welle (2) ein Trägheitsmoment von weniger als 10^–4 kg/m² aufweist.
Prüfstand nach Anspruch 11, wobei die Welle (2) einen Bereich alternativer Kupplungsköpfe (3) mit verschiedenen Trägheitsmomenten aufweist, so daß durch Ändern der Kupplungsköpfe (3) das Trägheitsmoment der Kombination aus der Welle (2) und dem Kupplungskopf (3) so geändert werden kann, daß es etwa demjenigen einer durch den Prüfstand simulierten Verbindung gleicht.
Verfahren zum Prüfen drehmomenterzeugender Werkzeuge, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Verbinden des Werkzeugs mit einer Welle (2); Ausüben eines Reibungsbremsdrehmoments auf die Welle (2) durch den direkten Reibungskontakt einer elektrohydraulisch oder elektropneumatisch betätigbaren Bremsschuhanordnung (5) auf die Außenzylinderfläche der Welle (2); und Steuern der Größe des auf die Bremsschuhanordnung (5) ausgeübten hydraulischen oder pneumatischen Steuerdrucks, um das Reibungsbremsdrehmoment zu erzeugen, unter Verwendung eines Computers, um den ausgeübten Steuerdruck als Funktion der Zeit über eine Zeitdauer, die so vorgewählt worden ist, daß sie die Härte der simulierten Verbindung widerspiegelt, von einem Anfangsschwellenwert auf einen Maximalwert zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei im voraus ein Kalibrierungsdurchlauf durchgeführt wird, um die Beziehung zwischen dem auf die elektrohydraulische oder elektropneumatische Einrichtung (5) ausgeübten Druck und dem auf die Welle ausgeübten Drehmoment zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Vorgang zum Prüfen eines Werkstücks mit einem Lerndurchlauf beginnt, während dem die Weise, auf die das Werkzeug sich verhält, gemessen wird, indem der Winkel, über den die Welle (2) sich bewegt, für einen Bereich von während vorgegebenen Zeiten ausgeübten Drehmomenten aufgezeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei dem Computer eine gewünschte Drehmoment-Winkel-Beziehung zugeführt wird, wobei der Computer die Daten vom Lerndurchlauf verwendet, um den Anstieg des Steuerdrucks mit der Zeit zu berechnen, wodurch die gewünschte Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Winkel erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei dem Lerndurchlauf Testdurchläufe folgen, während denen der Steuerdruck als Funktion der Zeit auf eine Weise erhöht wird, die berechnet worden ist, um die gewünschte Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Winkel zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei Daten von jedem Testdurchlauf analysiert und mit der gewünschten Drehmoment-Winkel-Kurve verglichen werden, und wobei die Steuerdruck-Zeit-Funktion gegebenenfalls abgeglichen wird.