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Die
Erfindung betrifft einen pneumatischen Motorschrauber des Typs,
der ein Gehäuse
mit einem rotierenden Druckluftmotor, welcher mit einer Ausgangswelle
antreibend verbunden ist, einen Drucklufteinlasskanal und einen
Druckluftausgangskanal in dem Gehäuse, ein manuell bedienbares Drosselventil,
das in dem Lufteinlasskanal angeordnet ist, und ein einstellbares
Begrenzungsventil für den
Ausgangsluftstrom in dem Ausgangskanal aufweist. Ein derartiger
Motorschrauber ist zum Beispiel aus der
EP A 0 677 356 bekannt.
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Im
Stand der Technik werden manuell einstellbare Begrenzungsventile
des Ausgangsstroms zum Reduzieren der Leerlauf- oder Niedrig-Last-Drehzahl
von Motoren von Motorschraubern verwendet, wodurch das Risiko des Überspannens von
steifen Schraubenverbindungen reduziert und ein vorschnelles Abschalten
des Motors verhindert wird. Insbesondere bei den Impulswerkzeugtypen existiert
ein Problem mit einem vorschnellen Abschalten, da beim Anziehen
einer steifen Verbindung der allererste erzeugte Impuls als Folge
einer großen Abbremsrate
eine sehr hohe Größe hat.
Es besteht außerdem
ein Risiko, dass das Soll-Momentniveau erreicht und durch einen
solchen anfänglichen
hohen Energieimpuls sogar überschritten
wird.
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Bisher
bekannte Ventile zur Begrenzung des Ausgangsstroms bei Motorschraubern
sind im wesentlichen zwei Haupttypen zuzuordnen, nämlich I.) dem
manuell einstellbaren Typ, der in eine Vielzahl von alternativen
Stellungen mit variierender Strombegrenzungswirkung wahlweise einstellbar
ist, und II.) dem selbstregulierenden Typ, der durch den tatsächlichen
Ausgangsstrom gesteuert wird, welcher in der Öffnungsrichtung auf ein Ventilelement
gegen eine Feder wirkt, die das Ventilelement in der Schließrichtung
vorspannt.
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Beide
dieser zwei bisher bekannten Typen von Ventilen zur Begrenzung des
Ausgangsstroms haben sich als weniger zufriedenstellend herausgestellt.
Der manuell einstellbare Ventiltyp ist nachteilig darin, dass der
vor dem Starten des Werkzeugs eingestellte Begrenzungsbereich eine
Begrenzung des Ausgangsstroms und eine Begrenzung der Motordrehzahl
nicht nur bei Leerlauf oder bei Niedrig-Lastbetrieb erzeugt, sondern
eine Begrenzung der Ausgangsleistung auch bei niedrigeren Drehzahlwerten, d.
h. während
dem abschließenden
Anziehen einer Schraubenverbindung, hervorruft. Dies bedeutet, dass
die vollständige
Leistung des Motorschraubers während
des abschließenden
Anziehvorgangs nicht verfügbar
ist.
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Bei
dem selbstregulierenden Typ des Begrenzungsventils hat es sich auf
der anderen Seite als sehr schwer erwiesen, diese bei verschiedenen Luftdruck-
und Ausgangsstromwerten zum ordnungsgemäßen Funktionieren zu bringen.
Entsprechend reagiert dieser Ventiltyp sehr empfindlich auf ein
Wechseln der Größe des Ausgangsstroms
und hat eine Neigung, den Strom zu stark oder zu wenig zu begrenzen.
Die beabsichtigte automatische ununterbrochene Einstellbarkeit dieses
Ventiltyps erreicht man sehr schwer.
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Um
ein automatisch einstellbares Begrenzungsventil für den Ausgangsstrom
zu schaffen, durch welches die vorstehend diskutierten Probleme vermieden
werden, schlägt
die vorliegende Erfindung einen Motorschrauber vor, der mit einem
automatischen druckregulierten Begrenzungsventil, wie in den nachfolgenden
Ansprüchen
angeführt,
versehen ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
teilgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen pneumatischen
Motorschraubers,
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2 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Begrenzungsventil
für den
Ausgangsstrom und
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3 schematisch
den pneumatischen Schaltkreis des erfindungsgemäßen Motorschraubers.
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Der
in den Zeichnungen gezeigte Motorschrauber weist ein Gehäuse 11 auf,
das mit einem pistolenartigen Griffstück 12, einem umkehrbaren
rotierenden Druckluftmotor (im Detail nicht gezeigt), der mit einer
Ausgangswelle 13 antreibend verbunden ist, einem mittels
eines Schlauchanschlusses 15 mit einer Druckluftquelle
verbundenen Drucklufteinlasskanal 14 und einem Druckluftausgangskanal 16 versehen
ist.
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Die
Druckluftversorgung des Motors wird mittels eines Drosselventils 18 (nicht
im Detail gezeigt) gesteuert, welches in dem Einlasskanal 14 angeordnet
ist und welches mittels eines abzugförmigen Druckknopfes beweglich
ist. Stromabwärts
des Drosselventils 18 ist ein Umkehrventil 19 vorgesehen (nicht
näher dargestellt),
welches mittels eines Knopfes oben auf dem Gehäuse 11 manuell verlagerbar ist.
Mit dem Umkehrventil 19 kann die Druckluftversorgung des
Motors umgeschaltet werden, um den Motor dazu zu bringen, die Drehrichtung
zu ändern.
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An
dem stromabwärts
gelegenen Ende des Ausgangskanals 16 ist eine Deflektoreinheit 20 für den Auslassstrom
befestigt, die Auslassöffnungen 21,
eine Auslassschalldämmhülse 22 und
ein automatisches Begrenzungsventil für den Ausgangsstroms aufweist.
Die Einheit 20, die einen Teil des Ausgangskanals 16 bildet,
weist ein zylindrisches Gehäuse 24 auf,
das einen Gewindestutzenbereich 25 bildet, mit welchem
die Einheit 20 an dem unteren Ende des Griffs 12 festgelegt
ist. Der Stutzenbe reich 25 stellt einen inneren Ventilsitz 26 dar,
der einen Teil des Begrenzungsventils des Ausgangsstroms bildet.
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Die
Schalldämmhülse 22 besitzt
einen üblichen
Aufbau und weist ein inneres Element aus einem porösen gesinterten
Kunststoffmaterial auf, das von einem Schirm aus Messingdraht umgeben
ist.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zur Begrenzung des Ausgangstroms, wie es in 2 dargestellt ist,
weist ein röhrenförmiges Ventilelement 28 auf, das
auf einer Spindel 29 beweglich geführt ist. Letztere erstreckt
sich koaxial durch das Gehäuse 26 und ist
mit einem radialen Flansch 30 ausgebildet, der eine gegenüberliegende
Stirnwand an dem unteren Ende des Gehäuses 24 bildet. Die
Spindel 29 ist an dem Gehäuse 24 dadurch festgehalten,
dass der Flansch 30 zwischen einem Schließring 31,
der in eine umlaufende Nut 32 in dem Gehäuse 24 eingefügt ist,
und der Schalldämmhülse 22 axial
begrenzt ist.
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Die
Spindel 29 ist mit einem relativ langen Bereich 34 mit
einem kleinen Durchmesser und einem relativ kurzen Bereich 35 mit
großem
Durchmesser ausgebildet, und eine koaxiale Bohrung 36 erstreckt
sich durch die gesamte Länge
der Spindel 29 hindurch. An ihrem oberen Ende ist in der
Bohrung 36 ein O-Ring 37 gehalten, um ein Rohr 38 einer Druckluftzufuhr
abdichtend aufzunehmen, das mit dem Lufteinlasskanal 14 verbunden
ist. An ihrem unteren Ende ist die Bohrung 36 mit einem
Gewinde 39 versehen, das ein Nadelventil 40 hält. Letzteres
ist vorgesehen, um mit einem Sitzbereich 41 in der Bohrung 36 zusammenzuwirken,
um eine einstellbare Luftstrombegrenzung zu bilden. Eine seitliche Öffnung 42 an
der Spindel 29 verbindet die Bohrung 36 stromabwärts des
Sitzbereichs 41 mit der Umgebung der Spindel 29.
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Das
Ventilelement 28 weist einen röhrenförmigen mittleren Bereich 42,
einen Ventilkopf 43 und einen becherförmigen unteren Bereich 44 auf.
Der mittlere Bereich 42 ist gleitend an dem Bereich 34 der Spindel 29 mit
kleinem Durchmesser geführt,
und der Ventilkopf 43 ist vorgesehen, um mit dem Ventilsitz 26 zusammenzuwirken,
um dadurch den Ausgangsluftstrom durch den Stutzenbereich 27 des
Gehäuses 24 zu
steuern. Der Ventilkopf 43 bestimmt eine durch den Ausgangsdruck
in dem Ausgangskanal 16 unter Druck zu setzende Betätigungsfläche 33.
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Der
becherförmige
Bereich 44 des Ventilelements 28 ist an dem Bereich 35 der
Spindel 29 mit großem
Durchmesser verschieblich geführt.
Zwischen dem becherförmigen
Bereich 44 und dem Bereich 35 der Spindel 29 mit
großem
Durchmesser ist eine Betätigungskammer 46 ausgebildet,
die über
die Röhre 38,
die Bohrung 36, das Nadelventil 40, 41 und die Öffnung 42 mit
Duckluft zu versorgen ist. Das Ventilelement 28 ist mit
einer inneren, in axialer Richtung weisenden Betätigungsfläche 45 ausgebildet, die
entsprechend vorgesehen ist, um durch den Einlassdruck des Motors
unter Druck gesetzt zu werden, welcher der Betätigungskammer 46 zugeführt wird. Dies
wird im folgenden näher
beschrieben.
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An
seinem unteren Ende besitzt das Ventilelement 28 ein Außengewinde 47,
auf dem ein Ringelement 48 einstellbar montiert ist. Das
Ringelement 48 ist vorgesehen, um sowohl ein Auflager für eine Vorspannfeder 49 als
auch ein Widerlager zum Bestimmen der Position des unteren Endes
des Ventilelements 28 durch Angreifen an dem Flansch 30 der Spindel 29 zu
bilden. Die Feder 49 liegt an einem inneren Absatz 50 in
dem Gehäuse 26 an
und spannt das Ventilelement 28 in Richtung der unteren
Endstellung vor, in welcher der Ventilkopf 43 seine in
Bezug zum Ventilsitz 26 am meisten geschlossene Stellung
einnimmt. Die obere Endstellung des Ventilelements 28 wird durch
eine einstellbare Anschlagmutter 51 bestimmt, die auf das
obere Ende der Spindel 29 aufgeschraubt ist.
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An
seinem unteren Ende ist das Gehäuse 24 durch
eine Endabdeckung 52 verschlossen, in welche ein mittiger
Stopfen 53 eingeschraubt ist. Die Endabdeckung 52 ist
auf eine untere Erweiterung 54 der Spindel 29 aufgeschraubt.
Um die Spindel 29 beim Aufschrauben des Endstopfens 53 davon
abzuhalten sich zu drehen, ist ein radialer Arretierstift 55 vorgesehen.
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An
seinem unteren Ende ist das Nadelventil 40 mit einem Innensechskant 56 ausgebildet,
der zum Einstellen der Öffnungsfläche des
Nadelventils von einem Sechskantschlüssel erfassbar ist. Um Zugang
zu dem Nadelsechskant 56 zu erhalten, muss der Stopfen 53 entfernt
werden.
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Im
Betrieb des Motorschraubers wird die Ausgangswelle 13 mit
einer anzuziehenden Schraubverbindung gekoppelt und der Lufteinlasskanal 14 ist über die
Schlauchverbindung 15 mit einer Druckluftquelle verbunden.
Durch Betätigen
des Drosselventils 18 wird der Motor mit Druckluft versorgt
und beginnt damit, die Ausgangswelle 13 zu drehen. Während der
Anfangsphase des Anziehvorgangs ist der Drehmomentwiderstand der
Schraubenverbindung sehr niedrig und sowohl die Drehgeschwindigkeit
als auch der Luftstrom durch den Motor nehmen schnell zu. Dies bedeutet,
dass der Gegendruck des Motors und der Zuführdruck in dem Eintrittskanal 14 relativ
niedrig sind.
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Dieser
relativ niedrige Einlassdruck während des
anfänglichen
Betriebsabschnitts führt
dazu, dass ein relativ niedriger Druck über die Röhre 38, die Bohrung 36,
das Nadelventil 40, 41 und die Öffnung 42 an
die Betätigungskammer 46 übermittelt
wird. Dieser relativ niedrige Betätigungsdruck erzeugt eine Kraft
auf der Betätigungsfläche 45 des
Ventilelements 28, die nur wirkt, um den Ventilkopf 43 gerade ein
kleines Stück
in Bezug zu dem Ventilsitz 26 zu verlegen, wodurch nur
ein begrenzter Luftstrom durchgelassen wird. Die auf die Betätigungsfläche 45 wirkende
pneumatische Betätigungskraft
wird teilweise durch die Vorspannkraft der Feder 49 ausgeglichen.
Jedoch erzeugt der Druckabfall über
den Ventilkopf 43 eine Kraft auf die Betätigungsfläche 33 des Ventilkopfs 43,
die in der gleichen Richtung wie die Feder 49 wirkt. Dies
bedeutet, dass das Ventilelement 28 während der Startphase des Motors
aus seiner unteren Endstellung um eine sehr kurze Wegstrecke verlagert
wird. Dies führt
dazu, dass der Ventilkopf 43 im Zusammenwirken mit dem
Sitz 26 eine kleine Öffnungsfläche bildet
und durch den Stutzenbereich 25 nur einen begrenzten Auslassstrom
erlaubt.
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Diese
anfängliche
begrenzte Öffnungsfläche des
Abluftventils führt
zu einer beträchtlichen
Verringerung der Motordrehzahl während
der Eindrehphase der Schraubverbindung. Die anfängliche Eindrehgeschwindigkeit
der Schraubenverbindung würde ansonsten
sehr groß sein,
und aufgrund der in den sich drehenden Teilen des Werkzeugs gespeicherten kinetischen
Energie wäre
das Risiko des Überspannens
einer steifen Schraubverbindung groß.
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Während der
Anziehvorgang fortschreitet, nimmt der Drehmomentwiderstand der
Schraubverbindung zu, und sowohl die Motorlast als auch der Druck
in dem Lufteinlasskanal 14 nehmen entsprechend zu. Dies
führt dazu,
dass der über
die Röhre 38 der
Betätigungskammer 46 zugeführte Luftdruck zunimmt,
und der Ventilkopf 43 weiter weg von dem Ventilsitz 26 verlagert
wird. Dadurch nehmen der Druckabfall über den Ventilkopf 43 und
die folgende Betätigungskraft
auf die Fläche 33 in
der Schließrichtung
des Ventilelements 28 ab.
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Bei
der endgültigen
Anziehphase, d. h. wenn man sich dem Soll-Drehmoment annähert, befindet sich
der Versorgungsdruck des Motors auf seinem maximalen Niveau, und
aufgrund einer niedrigen Motordrehzahl ist auch der Ausgangsdruck
gering. Ein hoher Druck in der Betätigungskammer 46 in
Verbindung mit einem niedrigen Druckabfall über den Ventilkopf 43 führt dazu,
dass das Ventilelement 28 seine völlig geöffnete Stellung einnimmt. Dies
bedeutet, dass der Ausgangsstrom nun ungedrosselt ist, was wiederum
bedeutet, dass der Motor in der Lage ist, mit seiner vollen Ausgangsleistung
zu arbeiten.
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Die
Einstellung des Nadelventils 40, 41 sollte an
den entlang der Führungsfläche des
Ventilelements 28 stets vorhandenen Leckagestrom angepasst
sein. Aufgrund unterschiedlichen Spiels zwischen dem Ventilelement 28 und
der Spindel 29, die das Ergebnis von streuenden Herstellungstoleranzen sind
und schematisch durch die Bezugsziffer 60 in 3 dargestellt
sind, muss die Ventilnadel 40 eingestellt werden, um das
gewünschte
Druckniveau in der Betätigungskammer 46 und
eine nachfolgende wünschenswerte
Betätigung
des Ausgangsventils zu erlangen. Dieses Einstellen der Nadel wird
bei dem Zusammenbau des Werkzeugs ausgeführt.
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Um
die Betriebseigenschaften des Motors noch klarer darzustellen, zeigt 3 einen
pneumatischen Schaltkreis für
einen umkehrbaren Motorschrauber.
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Das
dargestellte Motorwerkzeug hat zwei Betriebsanschlüsse A und
B und einen primären
Ausgangsanschluss C. Da der Motor reversibel ist, was durch zwei
entgegengesetzte Pfeile dargestellt ist, wirken die Betriebsanschlüsse A und
B alternativ als Einlassanschlüsse
oder als sekundäre
Ausgangsanschlüsse.
Das Umkehrventil 19, das über das Drosselventil 18 mit
einer Druckluftquelle S verbunden ist, führt Druckluft abwechselnd an
den Anschluss A oder den Anschluss B. Der andere der Anschlüsse A und B,
der nicht mit Druckluft versorgt wird, dient als ein sekundärer Ausgangsanschluss.
Um die Druckluft versorgung des Begrenzungsventils des Ausgangsstroms
unabhängig
von der tatsächlichen
Stellung des Umkehrventils 19 sicherzustellen, ist die
Betätigungskammer 46 über die
Röhre 38 mit
dem Lufteinlasskanal 14 stromaufwärts des Begrenzungsventils 19 verbunden.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Ausgangsbegrenzungsventils
wird der Ausgangsluftstrom des Motors in Abhängigkeit von einer zunehmenden
Motordrehzahl und einem entsprechend abnehmenden Versorgungsdruck
des Motors automatisch und ununterbrochen begrenzt, was bedeutet,
dass das Risiko des Überspannens
steifer Schraubverbindungen durch den Einfluss von Trägheitskräften des
Werkzeugs wesentlich reduziert ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche frei variiert werden.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung sich insbesondere
für die
Verwendung bei Impulsschraubern eignet, bei denen die automatische
druckregulierte Ausgangsstromsbegrenzung wirksam ist, um ein Überspannen
steifer Verbindungen bei dem allerersten zugeführten Impuls zu verhindern.
Im Falle von Impulsschraubern, die mit automatischen Abschaltvorrichtungen
versehen sind, verhindert die erfindungsgemäße Ausgangsstrombegrenzung
auch ein vorschnelles Abschalten des Werkzeugmotors.