EP0417674B1

EP0417674B1 - Aufweitewerkzeug für hohle Werkstücke

Info

Publication number: EP0417674B1
Application number: EP90117329A
Authority: EP
Inventors: Karl-Heinz Velte
Original assignee: Rothenberger Werkzeugemaschinen GmbH
Current assignee: Rothenberger Werkzeugemaschinen GmbH
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1990-09-08
Publication date: 1993-12-01
Anticipated expiration: 2010-09-08
Also published as: JP3171845B2; EP0417674A1; DK0417674T3; US5046349A; CA2024394A1; DE59003679D1; JPH03174928A; ATE97840T1; ES2047223T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufweitewerkzeug für hohle, insbesondere hohlzylindrische Werkstücke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Aufweitewerkzeuge werden auch als "Expander" bezeichnet. Sie werden wie eine Zange bedient, d.h. dem schwenkbaren Handhebel ist ein zweiter, gleichlanger Handhebel zugeordnet, der starr mit dem Grundkörper verbunden ist. Expander dienen bevorzugt zum Aufweiten von Rohrleitungsenden um ein solches Maß, daß in den aufgeweiteten Bereich ein zweites, nicht aufgeweitetes Rohrende eingeführt und mit dem ersten Rohrende verlötet werden kann. Der Einsatz erfolgt sowohl auf Baustellen als auch in Werkstätten.
Die Betätigungskräfte werden dabei durch die Übersetzungsverhältnisse im Antriebssystem des Spreizdorns, durch Reibungsverhältnisse zwischen sämtlichen beweglichen Teilen und - nicht zuletzt - durch das Fließverhalten des Werkstoffs der aufzuweitenden Werkstücke bestimmt. In Frage kommen hierbei Kunststoffrohre, dünnwandige Rohre aus Weichstahl, vornehmlich aber Kupferrohre, und zwar sowohl solche, die weichgeglüht sind, als auch sogenannte "harte" Kupferrohre. Der Einsatz erfolgt dabei vornehmlich im Rohrleitungsbau und dort wiederum im Sanitär- und Installationsbereich.
Im Hinblick auf die ergonomischen Verhältnisse ist auch zu berücksichtigen, daß der Schwenkwinkel der beiden Handhebel zueinander unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse etwas mehr als 90 Grad beträgt. Da hierbei der eigentliche Krafthub verhältnismäßig früh einsetzt, haben die beiden Handhebel zu Beginn des Krafthubes eine verhältnismäßig ungünstige Stellung zueinander. Da der Grundkörper in der Regel nirgends abgestützt werden kann, können die wirksamen Betätigungskräfte immer nur parallel zur Achse des Spreizdorns verlaufen; alle anderen Reaktionskräfte müssen zusätzlich von der Bedienungsperson aufgefangen werden. Es ist zu Beginn des Krafthubes also beispielsweise nicht möglich, den in Bezug auf den starr angebrachten Handhebel etwa senkrecht stehenden beweglichen Handhebel in rein tangentialer Richtung zu belasten (dann würde die Bedienungsperson den Werkzeuggrundkörper an sich heranziehen), sondern es müssen rein achsparallele Kräfte aufgebracht werden. Dies äußert sich mechanisch so, daß hierdurch die wirksame Länge der in diesem Augenblick unter einem Winkel von etwa 90 Grad zueinander verlaufenden Handhebel drastisch verkürzt wird. Die Verhältnisse bessern sich zwar mit zunehmender Annäherung der Handhebel aneinander, was die zunehmenden Verformungskräfte beim Aufweitevorgang in gewissem Umfange kompensiert, aber je nach der gewählten Antriebsart auch dazu führen kann, daß die Betätigungskräfte gegen Ende des Krafthubes drastisch absinken, so daß die Bedienungsperson überhaupt kein "Gefühl" mehr dafür hat, welche Kräfte und Reaktionskräfte im Innern des Antriebssystems freigesetzt werden.
Im Zuge der historischen Entwicklung derartiger zangenähnlicher Expander sind folgende Antriebssysteme entstanden:
Bei dem Expander nach der GB-A-866 994 (Rast) wirkt ein exzentrisch gelagerter Nocken unmittelbar auf die abgeschrägte Rückseite des Spreizdorns ein. Hierdurch entstehen in Bezug auf die Nockenkurve tangentiale Kraftkomponenten, in Bezug auf den Spreizdorn radiale Kraftkomponenten, die den Spreizdorn gegen seine Lagerung pressen und hierdurch mit zunehmenden Verformungskräften des Werkstücks auch eine zunehmende Schwergängigkeit erzeugen. Der Spreizdorn ist gewissermaßen die Bremsbacke für den Nocken, so daß die Betätigungskräfte beim Aufweiten progressiv ansteigen. Ein weiterer Nachteil dieses Antriebssystems besteht darin, daß der Spreizdorn nicht zurückgezogen werden kann. Da die Spreizbacken mit ihrer Rückstellfeder gegenüber dem Spreizdorn im Bereich der Selbsthemmung arbeiten, können auch die Spreizbacken mit ihren Steuerflächen, die als Kegelsektoren aufgefaßt werden können, kein Zurückschieben des Spreizdorns herbeiführen. Bei schrumpfenden Werkstücken wie beispielsweise beim Aufweiten oder Expandieren von Plastikrohren läßt sich daher ein solcher Expander nicht ohne weiteres mehr aus dem Rohr lösen.
Bei einer Weiterentwicklung dieses Antriebsprinzips nach der GB-A-1 485 098 (Rothenberger) wurde zwar der Kraftbedarf für die axiale Verschiebung des Spreizdorns dadurch verringert, daß man den Kurvenverlauf des Nockens flacher ausgebildet und den vollen Hub des Spreizdorns dadurch erreicht hat, daß man den Nocken mehrfach betätigt und ihn nach jedem Hub nachgesetzt hat. Zu diesem Zwecke war die Nockenachse in zwei Kulissen mit axial gestaffelten Kulissenausnehmungen versetzbar. Die Kraftersparnis durch das geänderte Übersetzungsverhältnis und die damit verbundene Verlängerung des Betätigungsweges war jedoch sehr begrenzt, denn die Bremswirkung des Spreizdorns auf die Nockenfläche blieb praktisch unverändert. Mit diesem bekannten System war ein Zwangsrückzug des Spreizdorns schlechterdings unmöglich, weil weder der Handhebel noch der Nocken wegen der Kulissenführung auf Zug beansprucht werden konnten. Eine zwischen dem Spreizdorn und dem Werkzeuggrundkörper angeordnete Druckfeder konnte allenfalls eine gewisse Rastwirkung in der Kulissenführung erzeugen, nicht aber einen Zwangsrückzug des Spreizdorns.
Durch die DE-C-37 32 628 und die EP-A-0 309 699 ist ein Expander nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem zwar durch ein Zugglied zwischen dem Spreizdorn und dem Handhebel ein Zwangsrückzug des Spreizdorns und damit eine Rückkehr der Spreizbacken in die Ausgangslage ermöglicht wurde, bei dem jedoch die hohen Antriebskräfte die gleichen blieben wie bei dem Expander nach der GB-A-866 994.
Bei dem Antriebssystem nach der US-A-4 425 783 werden zwar die Reibungskräfte zwischen dem Nocken und dem Spreizdorn einerseits und dem Spreizdorn und seiner Führung (Bohrung) andererseits weitgehend eliminiert, ohne jedoch die Mittel für eine Zwangsrückführung des Spreizdorns zu schaffen. Dies geschieht dadurch, daß zwischen dem Spreizdorn und dem Nocken ein schwenkbares hammerförmiges Druckglied angeordnet ist und daß der Nocken und die auf ihm abrollende Oberfläche des Druckgliedes einen solchen Kurvenverlauf besitzen, daß die Achse des Spreizdorns stets die gemeinsame Berührungslinie von Nocken und Druckglied schneidet. Um dabei stets von der gleichen Ausgangsposition des Druckgliedes ausgehen zu können, besitzt dieses eine Rückstellfeder. Wenn jedoch der Krafthub unterbrochen wird, dann fällt das Druckglied unter der Wirkung der Rückstellfeder zurück, und die zuvor vorhandene Korrelation zwischen Nocken und Druckglied ist nicht mehr gegeben. Dieses bekannte System erzeugt jedoch wegen der komplizierten Lagerung von Nocken und Handhebel Reibungskräfte an einer anderen Stelle, nämlich auf dem Umfang zweier relativ großer Kreisscheiben, mit denen Handhebel und Nocken im Werkzeuggrundkörper gelagert sind. In diesem Falle wirkt der Werkzeuggrundkörper gegenüber den besagten Kreisscheiben unter dem Einfluß der axialen Betätigungskräfte als Bremseinrichtung.
Durch die EP-A-0 252 868 ist ein Antriebssystem bekannt, bei dem geringe Antriebskräfte mit einem Zwangsrückzug des Spreizdorns gepaart sind. Dies geschieht dadurch, daß zwischen einem Handhebel, der keinen Nocken aufweist, und dem Spreizdorn ein Kniehebel angeordnet ist. Hierbei wird einerseits durch die Schrägstellung des Kniehebels zu Beginn des Arbeitshubes gegenüber dem Expander nach der US-PS 4 425 783 wieder der Nachteil erkauft, daß auf den Spreizdorn Querkraftkomponenten einwirken, die die Reibung zwischen dem Spreizdorn und seiner Lagerung (Bohrung) erhöhen, andererseits hat jedoch ein Kniehebelantrieb die Eigenart, daß die durch ihn erzeugten Abtriebskräfte beim Erreichen der gestreckten Lage aller Gelenke des Kniehebelsystems gegen Unendlich gehen, wenn die angetriebenen Teile an einen Anschlag anstoßen. Werden nämlich Toleranzen unterschritten, insbesondere Toleranzen in den Zubehörteilen, zu denen regelmäßig mehrere Sätze von Spreizbacken unterschiedlichen Durchmessers gehören, so kann eine Überlastung erfolgen, ohne daß dies der Bedienungsperson durch eine entsprechende Steigerung der Betätigungskräfte auffällt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei der Verwendung eines Kniehebelantriebs für einen Expander der Kraftbedarf am Ende des Arbeitshubes praktisch zu Null wird, d.h. die Handhebel lassen sich nahezu kräftefrei aneinanderlegen. Die Bedienungsperson hat infolgedessen jedes "Gefühl" für den Aufweitevorgang verloren. Üblicherweise werden Kniehebelpressen zur Vermeidung einer Überlastung im Bereich der gestreckten Lage aller drei Kniehebelgelenke mit Überlastkupplungen versehen, um eine Zerstörung des Systems zu vermeiden. Der Einbau solcher Überlastkupplungen verbietet sich jedoch aus Platz- und Gewichtsgründen bei Handwerkzeugen.
Durch das DE-U 88 07 784 und die WO 88/00503 ist ein Aufweitewerkzeug mit einer frei drehbaren Rolle zwischen dem Spreizdorn und dem Steuerkörper bekannt, wobei jedoch wiederum keine Rückzugsvorrichtung für den Spreizdorn vorhanden ist. Die frei drehbare Rolle wird dabei durch einen Wälzkörper gebildet, dessen Zylinderfläche, die sogenannte Lauffläche für den Steuerkörper, in einer quer zur Achse des Spreizdorns verlaufenden komplementären Ausnehmung gelagert ist. Dadurch wird aber die Reibung zwischen dem Nocken und dem Spreizdorn nicht oder nur unwesentlich vermindert, denn der Wälzkörper gleitet in seiner Ausnehmung mit der Zylinderfläche, d.h. mit dem gleichen Durchmesser, auf dem auch die Nockenoberfläche abrollt. Dadurch werden die Reibungs- oder Bremskräfte lediglich an eine andere Stelle verlagert, oder der Nocken gleitet bereits bei einer leichten Schwergängigkeit des Wälzkörpers auf dessen stillstehender Oberfläche. Man nennt ein solches mechanisches System auch "indifferent". An den Kräfteverhältnissen, insbesondere an den Reibungs- und Querkräften, ändert sich hierdurch nichts.
Durch die GB-A-2 098 529 ist ein gattungsfremdes Gerät, nämlich ein Bördelgerät bekannt, bei dem zum kugel- oder kegelförmigen Aufweiten eines Rohrendes ein starrer Stempel in das Rohr eingepreßt wird. Wegen der dabei auftretenden hohen Axialkräfte besitzt die Vorrichtung eine Art Klemmzange für das Rohr, die durch einen ersten Handhebel betätigt und während des Bördelns geschlossen gehalten werden muß. Ein zweiter Handhebel wirkt auf eine Kulisse ein, durch die der Stempel in beiden Richtungen bewegt werden kann. Allerdings benötigt ein Bördelvorgang nur einen relativ geringen Hub, und ein axiales Einschieben eines zweiten Rohres ist nicht möglich. Beide Handhebel erfordern einen unterschiedlichen Kraftbedarf, müssen zu unterschiedlichen Zeiten und in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen verschwenkt werden, so daß das Gerät nicht wie eine Zange bedient werden kann: Es muß vielmehr mittels eines quaderförmigen Gehäusefortsatzes in einen Schraubstock eingespannt werden und ist daher ein stationäres Gerät.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufweitewerkzeug der eingangs beschriebenen Gattung, also ein solches mit einem Steuerkörper im Antriebssystem, anzugeben, bei dem Reibungskräfte im System auf ein Minimum reduziert werden, ein Zwangsrückzug des Spreizdorns erfolgt, die Betätigungskräfte über den gesamten Arbeitshub weitgehend konstant bleiben, so daß die Bedienungsperson ein "Gefühl" für den ordnungsgemäßen Ablauf des Aufweitevorgangs hat und bei dem eine Überlastung auch bei ungünstiger Toleranzlage nicht eintreten kann.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Aufweitewerkzeug erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Die Rolle ist dabei stets einsatzbereit, und sie verliert im Gegensatz zum Expander nach der US-A-4 425 783 auch dann nicht ihre Wirkung, wenn der Expansionshub unterbrochen werden sollte. Auch benötigt eine Rolle keine Rückstellfeder.
Die Reibungskräfte werden dabei auf ein Minimum reduziert, und zwar gegenüber der US-A-4 424 783 dadurch, daß die Gelenkzapfen und damit die Lagerstellen einen relativ kleinen Durchmesser haben, und weiterhin dadurch, daß die Berührungslinie zwischen der Nockenfläche und der Zylinderfläche der Rolle immer auf oder mindestens in unmittelbarer Nähe der Achse des Spreizdorns liegt.
Gegenüber dem DE-U-88 07 784 und der WO 88/00503 werden die Reibungskräfte dadurch reduziert, daß die Rollenachse einen gegenüber der Zylinderfläche der Rolle abgesetzten, deutlich kleineren Durchmesser aufweist, so daß bei gleichen auf den Spreizdorn axial einwirkenden Druckkräften ein deutlich geringeres Gegen-Drehmoment bzw. Bremsmoment erzeugt wird. Es wirken mithin keine oder zumindest keine merklichen Querkräfte auf den Spreizdorn ein.
Weiterhin läßt sich die Rückzugseinrichtung für den Zwangsrückzug des Spreizdorns leicht in das Antriebs-System integrieren. Außerdem verhindert die Rückzugseinrichtung auf einfachste Weise ein Verdrehen des Spreizdorns gegenüber dem Nocken, ohne daß hierfür eine besondere Führung des Spreizdorns im Werkzeuggrundkörper erforderlich würde.
Bei einem entsprechenden Verlauf der Steuerkurve relativ zur Achse läßt sich außerdem ohne weiteres erreichen, daß die Betätigungskraft über nahezu den gesamten Schwenkwinkel des Handhebels, zumindest aber über den letzten Teil des Schwenkbereichs weitgehend konstant bleibt, so daß die Bedienungsperson das Gefühl hat, daß der Aufweitevorgang auch weiterhin zu Ende geführt wird. Schließlich ist auch eine Überlastung der Bauteile des gesamten Aufweitewerkzeuges ausgeschlossen, da sich nämlich ein Anstoßen von beweglichen Teilen an ortsfesten Teilen sofort als Zunahme der Betätigungskraft äußert, so daß der Bedienungsperson das Gefühl vermittelt wird: Der Aufweitevorgang ist beendet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist bei sonst gleicher Rollenlagerung dadurch gekennzeichnet, daß

der Steuerkörper einen bogenförmig um seine Schwenkachse verlaufenden Schlitz aufweist, dessen beide Enden nach Maßgabe des Hubes des Spreizdorns unterschiedliche Abstände von der besagten Schwenkachse aufweisen und dessen lichte Weite dem Durchmesser der Rolle entspricht, und in dem die Rolle in beiden Bewegungsrichtungen des Spreizdorns geführt ist, und daß
der Steuerkörper mindestens teilweise zwischen den beiden Seitenwangen des Spreizdorns geführt ist, indem die Dicke des Steuerkörpers mindestens stellenweise dem lichten Abstand der Seitenwangen entspricht.

Dadurch wird bei robuster Ausführung erreicht, daß die der Schwenkachse des Steuerkörpers näherliegende Kurvenfläche des Schlitzes (bzw. das diese Kurvenfläche tragende bügelförmige Teil des Steuerkörpers) die Rolle hintergreifen kann, so daß ein Antrieb des Spreizdorns in beiden axialen Richtungen möglich ist, also auch ein Zwangsrückzug.
Der Steuerkörper, der als Stanzteil aus einer Stahlplatte oder einteilig mit dem Handhebel als Schmiedeteil herstellbar ist und nur geringer Nachbearbeitung an den Oberflächen des Schlitzes bedarf, ist zugleich ein zusätzliches Führungselement des Spreizdorns und sichert diesen auch gegen eine Verdrehung.
Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Enden des bogenförmigen Schlitzes Anschläge für die Begrenzung des Schwenkwinkels des schwenkbaren Handhebels bilden, der Bogenwinkel des Schlitzes also definiert begrenzt ist. Dadurch wird zweierlei erreicht: Einmal begrenzt der eine Anschlag die Annäherung der Handhebel bis auf einen Mindestabstand, der eine Fingerquetschung verhindert, zum andern wird auch die Betätigungskraft der Handhebel am Ende des Aufweitevorgangs definiert.
Es ist besonders einfach, dem bogenförmigen Schlitz in Bezug auf die Schwenkachse des Steuerkörpers und die Rolle einen solchen Verlauf zu geben, daß die Betätigungskraft am beweglichen Handhebel mindestens über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant bleibt.
Es ist dabei im Hinblick auf die Montage bei der Herstellung, die Baugröße, das Gewicht und die Verwindungssteifigkeit des beweglichen Handhebels gegenüber dem Werkzeuggrundkörper besonders vorteilhaft, wenn der Steuerkörper das eine Ende des schwenkbaren Handhebels bildet und ein Auge für die Hindurchführung eines Gelenkzapfens aufweist, der einen Spalt im Grundkörper durchsetzt und in diesem seitlich außerhalb des Spreizdorns auf der den Handhebeln gegenüberliegenden Seite beiderseits des Spalts im Grundkörper gelagert ist.
Materialkosten und Gewicht können dabei weiterhin positiv beeinflußt werden, wenn der Steuerkörper als plattenförmiges Bauteil ausgeführt und in einen parallelwandigen Schlitz des beweglichen Handhebels eingesetzt ist. Dies ermöglicht beispielsweise eine Konstruktion, bei der der Werkzeuggrundkörper und die beiden Handhebel aus einer Leichtmetall-Legierung bestehen, der Steuerkörper aber aus Stahl besteht.
Eine besonders langlebige Ausführung wird bei einem Aufweitewerkzeug, bei dem der Werkzeuggrundkörper in an sich bekannter Weise ein zum Spreizdorn konzentrisches Gewinde aufweist, auf das der Satz von Spreizbacken mittels einer Gewindehülse aufschraubbar ist, dann geschaffen, wenn das Gewinde auf der Außenfläche eines Ansatzteils angeordnet ist, das mittels eines hohlzylindrischen Fortsatzes mit dem Werkzeuggrundkörper verbunden ist, und wenn die durchgehende Bohrung von Ansatzteil und Fortsatz die axiale Führung für den Spreizdorn ist.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1: eine Seitenansicht wesentlicher Teile der Aufweitevorrichtung bei Beendigung eines Aufweitevorgangs. d.h. mit maximal zusammengeführten Handhebeln, zusammen mit einer perspektivischen Darstellung eines abgeschraubten Satzes von Spreizbacken,
Figur 2: eine Seitenansicht des Gegenstandes von Figur 1, jedoch vor Beginn eines Aufweitevorgangs, d.h. mit maximal auseinander geschwenkten Handhebeln,
Figur 3: das obere Ende des Spreizdorns mit Rolle, gegenüber Figur 7 um 90 Grad gedreht und in vergrößertem Maßstab,
Figur 4: eine Draufsicht auf wesentliche Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem in einen Handhebel aus Leichtmetall eingesetzten Steuerkörper aus Stahl, und
Figur 5: ein Diagramm mit einer vergleichsweisen Darstellung der Betätigungskräfte beim Stande der Technik und beim Erfindungsgegenstand,

In den Figuren 1 und 2 ist ein Aufweitewerkzeug 101 dargestellt, das einen aus Stahl bestehenden Werkzeuggrundkörper 102 mit einem ersten, starr angebrachten, gleichfalls aus Stahl bestehenden Handhebel 103, eine Bohrung 104, und einen in dieser axial verschiebbar gelagerten, aus der Bohrung mit einem äußeren verjüngten Ende 105a herausragenden Spreizdorn 105 besitzt. In dem gegenüberliegenden, gleichfalls aus dem Werkzeuggrundkörper 102 herausragenden Ende des Spreizdorns 105 ist mittels einer zylindrischen Rollenachse 106 eine frei drehbare Rolle 107 gelagert, deren Drehachse senkrecht zur Dornachse steht.
Der Werkzeuggrundkörper 102 besitzt ein Führungsteil 102a, in dem der Spreizdorn gelagert ist und das in etwa als Quader mit abgerundeten Ecken und Kanten geformt ist. Der Spreizdorn 105 ragt mit der Rolle 107 nach oben aus dem Führungsteil 102a heraus. Zwischen dem Führungsteil 102a und dem starr und einstückig angeformten Handhebel 103, der einen T-förmigen Querschnitt mit unten liegendem Flansch 103a besitzt, befindet sich ein Übergangsstück 102b mit entsprechend schrägen Wandflächen, durch das Stufen und Sprünge vermieden werden (die Anordnung entspricht in etwa derjenigen nach Figur 4). Führungsteil 102a und Übergangsstück 102b besitzen eine nach oben offene, strichpunktiert dargestellte spaltförmige Ausnehmung 102c, in die der nachfolgend näher beschriebene Steuerkörper 109 eintauchen kann (Figur 1).
Gleichfalls im Werkzeuggrundkörper 102 ist mittels eines Gelenkzapfens 108 der auf die Rolle 107 einwirkende schwenkbare Steuerkörper 109 gelagert, der mit einem zweiten, schwenkbaren Handhebel 110 einstückig verbunden ist, der gleichfalls einen T-förmigen Querschnitt aufweist, wobei der Flansch 110b diesmal oben liegt.
Steuerkörper 109 und der Steg 110c haben die gleiche Dicke. Durch den Steuerkörper 109 ist der Spreizdorn 105 bei Hebelbetätigung im Uhrzeigersinne in die Stellung gemäß Figur 1 um einen vorgegebenen Hub aus dem Grundkörper heraus gegen einen mit dem Grundkörper verbindbaren Satz von radial beweglich in einer Gewindehülse 112 geführten Spreizbacken 111 verschiebbar. Die Gewindehülse 112 ist zusammen mit den Spreizbacken 111 auf ein Gegengewinde 112a aufschraubbar, das konzentrisch zum Spreizdorn 105 an der Unterseite des Führungsteils 102a angeordnet ist. Die auch als Spreizkopf bezeichneten Teile 111 und 112 und ihre Arbeitsweise sind Stand der Technik, so daß sich ein näheres Eingehen hierauf erübrigt.
Die Angaben "oben" und "unten" beziehen sich auf die in den Figuren dargestellte Lage.
Die Rollenachse 106 ist im Durchmesser merklich kleiner als die Rolle 107 bzw. deren Lauffläche 107a, die beim Aufweitevorgang auf einer ersten Steuerkurve 113 des Steuerkörpers 109 abrollt. Mittels der Rollenachse 106 ist die Rolle 107 in und zwischen zwei nach innen von parallelen Wänden begrenzten Seitenwangen 105b und 105c des Dorns 105 gelagert, d.h. in einem Spalt (Figur 3). Die Zylinderfläche der Rolle 107 berührt aber nicht Oberflächenteile des Spreizdorns 105: Die Abstützung der Rolle 107 im Spreizdorn erfolgt ausschließlich über die Rollenachse 106.
Der Steuerkörper 109 besitzt einen von einer zur anderen Seite durchgehenden, bogenförmig um die Schwenkachse 108 verlaufenden Schlitz 114, der auf einer Seite durch die erste Steuerkurve 113 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine zweite Steuerkurve 115 begrenzt ist. Die lichte Weite des Schlitzes 114 entspricht an jeder Stelle dem Durchmesser der Rolle 107 (zuzüglich eines geringen Spiels), so daß die Rolle 107 im Schlitz 114 eingeschlossen und in beiden Bewegungsrichtungen des Spreizdorns zwangsgeführt ist, wobei die Steuerkurve 113 den Aufweitevorgang und die die Rolle 107 hintergreifende Steuerkurve 115 den Zwangsrückzug bewirkt. Die Rückzugseinrichtung 126 wird durch einen die Steuerkurve 115 tragenden Teil des Steuerkörpers 109 gebildet.
Beide Handhebel 103 und 110 besitzen an ihren hier nicht dargestellten Enden Handgriffe, so daß sich die beiden Handhebel in Bezug auf den Werkzeuggrundkörper 102 wie eine Zange betätigen lassen. Figur 1 zeigt die beiden Handhebel 103 und 110 in ihrer einander am meisten angenäherten Stellung. Es ist jedoch erkennbar, daß sich der zweite Handhebel 110 aus der gezeichneten Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn um einen Schwenkwinkel von mehr als 90 Grad, d.h. über die Achse A-A hinaus verschwenken läßt. Die Steuerkurve 113 hat dabei in Bezug auf den Gelenkzapfen 108 eine solche geometrische Form, daß dem Fließverhalten des Werkstücks und dem Verlauf der Betätigungskräfte in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Handhebels 110 optimal Rechnung getragen wird, und daß dabei insbesondere die Betätigungskraft am Handhebel 110 über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant ist. Ein solcher Kräfteverlauf ist in Figur 5 durch die mittlere Kurve dargestellt.
Der Steuerkörper 109 paßt im Bereich beider Steuerkurven 113 und 115 mit geringem Spiel in den Spalt zwischen den Seitenwangen 105b und 105c des Spreizdorns 105, so daß dieser auch gegen ein Verdrehen zwischen den beiden Seitenwangen geführt ist (Figur 3).
Die beiden halbzylindrisch-konkav geformten Enden 116 und 117 des bogenförmigen Schlitzes 114 sind durch die Steuerkurven 113 bzw. 115 miteinander verbunden, und ihre Krümmungsmittelpunkte, die in den beiden möglichen Endstellungen alternativ mit der Achse der Rolle 107 zusammenfallen, haben nach Maßgabe des Hubes des Spreizdorns 5 unterschiedliche Abstände von der Schwenkachse 108. Der Kurvenverlauf ist monoton, d.h. keine Stellung des Spreizdorns wird beim Schwenken des Steuerkörpers in einer Richtung zweimal durchlaufen.
Die Enden 116 und 117 bilden Anschläge für die Begrenzung des Schwenkwinkels des schwenkbaren Handhebels 110, wobei der eine Anschlag (Ende 116) die Annäherung der Handhebel bis auf einen Mindestabstand begrenzt, der eine Fingerquetschung verhindert (Figur 1). Der andere Anschlag (Ende 117) begrenzt die Öffnungsbewegung der Handhebel gemäß Figur 2.
Der bogenförmige Schlitz 114 hat in Bezug auf die Schwenkachse 108 des Steuerkörpers 109 und die Rolle 107 einen solchen Verlauf, daß die Betätigungskraft am beweglichen Handhebel 110 über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant ist.
Der Steuerkörper 109 bildet das eine Ende des aus Schmiedestahl bestehenden schwenkbaren Handhebels 110 und besitzt ein Auge 118 für die Lagerung auf dem Gelenkzapfen 108. Dieser durchsetzt einen Spalt 119 im Grundkörper 102 und ist in diesem seitlich außerhalb des Spreizdorns 105 auf der den Handhebeln 103 und 110 gegenüberliegenden Seite beiderseits des Spalts 119 im Grundkörper 102 gelagert. Um keine Behinderung zwischen dem Auge 118 und dem Spreizdorn 105 eintreten zu lassen, ist letzterer in Verlängerung des Spaltes zwischen den Seitenwangen 105b und 105c auf einer Seite mit einer eingefrästen Nut 120 versehen. Es ist auch erkennbar, daß der Gelenkzapfen 108 nahe am Gegengewinde 112a liegt.
Das dem Gelenkzapfen 108 zugekehrte Teil des Steuerkörpers 109 bildet wegen des Schlitzes 114, der auch als Kulisse bezeichnet werden kann, gewissermaßen einen Bügel, der die Steuerkurve 115 trägt. Um den vollen Querschnitt des Spreizdorns möglichst weitgehend zu erhalten, ist der Steuerkörper 109 seitlich des Auges 118 mit einer Ausnehmung 121 versehen (Figur 2), so daß sich die Unterkante des Steuerkörpers 109 in der Endstellung gemäß Figur 6 in dem besagten Spalt gewissermaßen um den Spreizdorn herumlegt.
Es ist einigermaßen verblüffend, daß trotz des Querversatzes des Gelenkzapfens 108 gegenüber der Achse des Spreizdorns 105 keine störenden Querkräfte auf den Spreizdorn ausgeübt werden, die eine Schwergängigkeit des Spreizdorns in seiner Führung zur Folge haben könnten.
Figur 4 zeigt ein anders ausgebildetes Aufweitewerkzeug 201. In diesem Fall ist der Steuerkörper 209 als plattenförmiges Bauteil - gleichfalls aus Stahl - ausgeführt und starr in einen parallelwandigen Schlitz 222 des beweglichen Handhebels 210a eingesetzt. Dieser Handhebel ist im Bereich des Spreizdorns 205 zu einem Gehäuse 223 ausgestaltet, das in Figur 4 den Werkzeuggrundkörper verdeckt und auch - in einer nicht gezeigten Seitenansicht - den Spreizdorn 205 und die Rolle einschließt und damit gleichfalls verdeckt. Der Werkzeuggrundkörper und die beiden Handhebel (von denen nur 210 sichtbar ist) bestehen in diesem Fall aus einer Leichtmetall-Legierung, so daß eine erhebliche Gewichtsverminderung eintritt.
Das Gegengewinde 112a ist in diesem Fall auf der Außenfläche eines Ansatzteils 224 angeordnet, das mittels eines hohlzylindrischen Fortsatzes mit dem Werkzeuggrundkörper verbunden ist. Zur Erläuterung wird auf Figur 2 zurückgegriffen, in die dieser Fortsatz 125 gestrichelt eingezeichnet ist, um seine Geometrie und Lage zu charakterisieren. Ansatzteil 224 und Fortsatz 125, die einstückig ausgebildet sind und aus Stahl bestehen, haben eine durchgehende Bohrung, die die axiale Führung für den Spreizdorn 105 bzw. 205 bildet. Es versteht sich, daß bei einer Ausbildung des Werkzeuggrundkörpers aus Stahl auf das Einsetzen der Teile 224 und 125 verzichtet werden kann.
Von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die kompakte Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist auch die Lage des Gelenkzapfens 108 in einer Ebene unterhalb einer durch die Rollenachse 106 gelegten Ebene (beide Ebenen senkrecht zur Dornachse A-A gedacht), d.h. zwischen jeder möglichen Stellung der Rollenachse 106 und dem verjüngten Ende 105a des Spreizdorns 105. Dadurch wird eine Verlängerung des Werkzeuggrundkörpers 102 in Richtung der Achse A-A nach oben über das Ende des Spreizdorns hinaus überflüssig.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Durchmesserdifferenz Δ D bzw. der doppelte Aufweiteweg in Millimeter aufgetragen ist, auf der Ordinate hingegen - in dimensionslosen Einheiten - die Betätigungskraft zwischen den beiden Handhebeln 103 und 110. Auf der Ordinate wurden deswegen dimensionslose Einheiten gewählt, weil die Betätigungskraft natürlich abhängig ist von dem aufzuweitenden Durchmesser, der Wandstärke und den Verformungseigenschaften des Werkstücks. Der erste Millimeter des Weges der Durchmesservergrößerung der Spreizbacken erfolgt im sogenannten Leerhub. Hierbei sind nur die geringen Reibungskräfte im System zu überwinden. Das Werkstück wird alsdann zunächst bis zu einem Punkt P elastisch verformt; daran schließt sich eine plastische Verformung des Werkstoffs an, bis das Werkstück den Enddurchrmesser erreicht hat (gestrichelte Linie). Die geringe Rückfederung nach Entlastung des Werkstücks sei hier vernachlässigt.
Die obere Kurve C1 zeigt den Kräfteverlauf bei einem Aufweitewerkzeug, bei dem die Steuerkurve 113 auf dem inneren stumpfen Ende des Spreizdorns gleitet. Es ist deutlich erkennbar, daß der Kraftbedarf progressiv bis zu einem sehr hohen Endwert ansteigt.
Die untere Kurve C2 zeigt den Kräfteverlauf bei einem Kniehebelexpander, und es ist deutlich erkennbar, daß der Kraftbedarf nach Überschreitung eines Maximums drastisch bis auf einen sehr geringen Wert abfällt. Dieser Rückgang der Betätigungskraft geht jedoch keineswegs mit einer Reduzierung der Kräfte im System einher. Das Gegenteil ist vielmehr der Fall: Da die gestreckte Lage der Gelenkstellen des Kniehebelsystems im Bereich der gestrichelten Linie erreicht wird, steigen die Kräfte notwendigerweise bis auf den Wert Unendlich, eine entsprechende Gegenkraft vorausgesetzt, die beispielsweise auch durch eine zu enge Toleranz ungewollt auftreten kann.
Die mittlere Kurve C3 beschreibt den Kräfteverlauf beim erfindungsgemäßen Antriebssystem, und es ist deutlich erkennbar, daß die Betätigungskraft zumindest im letzten Teil des Aufweiteweges des Werkstücks im wesentlichen konstant bleibt. Berühren sich hierbei irgendwelche Teile innerhalb des Antriebssystems, so erfolgt ein abrupter Kraftanstieg in Richtung des Kurvenabschnitts C4, d.h. der Bedienungsperson wird sofort signalisiert, daß an dieser Stelle keine weitere Aufweitung mehr möglich ist.
Es ist natürlich möglich, auch dem Steuerkörper bzw. der Steuerkurve 113 einen solchen Verlauf zu geben, daß die Betätigungskraft gegen Ende des Aufweitevorgangs drastisch abfällt. Dies wäre beispielsweise dann der Fall, wenn die Steuerkurve 113 in dem Teilabschnitt, der zu allerletzt zum Einsatz kommt, nahezu tangential zu einem Radius verläuft, der durch die Rollenachse 106 verläuft. Dies ist aber nicht der Sinn der Anordnung. Es ist aber umgekehrt unmöglich, den Kräftebedarf nach einem Antriebssystem gemäß der Kurve C1 abzusenken oder den Kräftebedarf bei einem Kniehebel-System gemäß der Kurve C2 entsprechend anzuheben. Ein Kniehebel-System hat nun einmal die unvermeidbare Eigenschaft, daß die Abtriebskräfte beim Eintritt aller Gelenkachsen in die gestreckte Lage gegen Unendlich gehen, während die Antriebskräfte gleichzeitig praktisch zu Null werden. Die Beeinflußbarkeit der Betätigungskräfte ist auch der Hauptgrund dafür gewesen, daß sich der bekannte Nockenantrieb des Spreizdorns über mehrere Jahrzehnte auf dem Markt bewährt hat.

Claims

Aufweitewerkzeug (101, 201) für hohle, insbesondere hohlzylindrische, Werkstücke mit einem Werkzeuggrundkörper (102, 202) mit einem ersten Handhebel (103) und mit einer Bohrung (104), einem in dieser axial verschiebbar gelagerten, aus der Bohrung mit einem äußeren verjüngten Ende (105a) herausragenden Spreizdorn (105, 205), mit einem gleichfalls im Werkzeuggrundkörper gelagerten, auf den Spreizdorn einwirkenden schwenkbaren Steuerkörper (109, 209), der eine zur Bohrungsachse senkrechte Achse (Gelenkzapfen 108) aufweist und mit einem zweiten schwenkbaren Handhebel (110, 210) verbunden ist, durch den der Spreizdorn bei Hebelbetätigung um einen vorgegebenen Hub aus dem Grundkörper heraus gegen einen mit dem Grundkörper verbundenen Satz von radial beweglich geführten Spreizbacken (111) verschiebbar ist, wobei die beiden Handhebel (103, 110, 210) wie eine Zange gegeneinander verschwenkbar sind und wobei der Spreizdorn (105, 205) an seinem inneren Ende zwei Seitenwangen (105b, 105c) und einen dazwischenliegenden Schlitz aufweist, in den eine den Spreizdorn (105, 205) wirkungsmäßig mit dem zweiten Handhebel (110, 210) verbindende Rückzugseinrichtung für den Spreizdorn (105, 205) eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß
a) in dem Schlitz eine gegenüber dem Spreizdorn frei drehbare Rolle (107) angeordnet ist, die eine Zylinderfläche (107a) und eine davon abgesetzte koaxiale Rollenachse (106) aufweist, die in den Seitenwangen (105b, 105c) gelagert ist, ohne daß die Zylinderfläche (107a) selbst im Spreizdorn abgestützt ist, und daß

b) der Steuerkörper (109) als Kulissenführung und die Rückzugseinrichtung (126) als ein die Rolle (107) hintergreifendes Teil des Steuerkörpers ausgebildet ist.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß
a) der Steuerkörper (109) einen bogenförmig um seine Schwenkachse (Gelenkzapfen 108) verlaufenden Schlitz (114) aufweist, dessen beide Enden (116, 117) nach Maßgabe des Hubes des Spreizdorns (105) unterschiedliche Abstände von der besagten Schwenkachse (108) aufweisen und dessen lichte Weite dem Durchmesser der Rolle (107) entspricht, und in dem die Rolle (107) in beiden Bewegungsrichtungen des Spreizdorns (105) geführt ist, und daß

b) der Steuerkörper (109) mindestens teilweise zwischen den beiden Seitenwangen (105b, 105c) des Spreizdorns (105) geführt ist, indem die Dicke des Steuerkörpers (109) mindestens stellenweise dem lichten Abstand der Seitenwangen (105b, 105c) entspricht.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden (116, 117) des bogenförmigen Schlitzes (114) Anschläge für die Begrenzung des Schwenkwinkels des schwenkbaren Handhebels (110, 110a) bilden.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der bogenförmige Schlitz (114) in Bezug auf die Schwenkachse (108) des Steuerkörpers (109) und die Rolle (107) einen solchen Verlauf aufweist, daß die Betätigungskraft am beweglichen Handhebel (110, 110a) mindestens über die letzten 20 Grad des Schwenkwinkels des Handhebels im wesentlichen konstant ist.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das rollenseitige Ende (105d) des Spreizdorns (105) aus dem Grundkörper (102) herausragt.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Steuerkörper (109) das eine Ende des schwenkbaren Handhebels (110, 110a) bildet und ein Auge (118) für die Hindurchführung einer Schwenkachse (108) aufweist, der einen Spalt (119) im Grundkörper (102) durchsetzt und in diesem seitlich außerhalb des Spreizdorns (105) auf der den Handhebeln (103, 110, 210) gegenüberliegenden Seite beiderseits des Spalts (119) im Grundkörper (102) gelagert ist.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwenkachse (108) in einer ersten Ebene angeordnet ist, die zwischen einer zweiten Ebene, in der die Rollenachse (106) in jeder möglichen Stellung verläuft, und dem verjüngten Ende (105a) des Spreizdorns (105) liegt, wobei die beiden besagten Ebenen jeweils radial zur Achse A-A verlaufen.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Steuerkörper (209) als plattenförmiges Bauteil ausgeführt und in einen parallelwandigen Schlitz (222) des beweglichen Handhebels (210) eingesetzt ist.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkzeuggrundkörper (102, 202) und die beiden Handhebel (103, 110, 210) aus einer Leichtmetall-Legierung und der Steuerkörper (109, 209) aus Stahl bestehen.
Aufweitewerkzeug nach Anspruch 9 bei dem der Werkzeuggrundkörper (102, 202) ein zum Spreizdorn (105, 205) konzentrisches Gegengewinde (112a) aufweist, auf das der Satz von Spreizbacken (111) mittels einer Gewindehülse (112) aufschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Gegengewinde (112a) auf der Außenfläche eines Ansatzteils (124, 224) angeordnet ist, das mittels eines hohlzylindrischen Fortsatzes (125) mit dem Werkzeuggrundkörper (102, 202) verbunden ist, und daß die durchgehende Bohrung von Ansatzteil (124, 224) und Fortsatz (125) die axiale Führung für den Spreizdorn (105, 205) ist.