Hydraulischer Kraftschrauber
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Kraftschrau¬ ber.
Die Zuverlässigkeit einer Schraubverbindung hängt ent¬ scheidend davon ab, daß beim Anziehen der Schraubver¬ bindung ein durch die Konstruktion vorgegebenes Anzugs- Drehmoment eingehalten, d.h. erreicht und im Rahmen der zulässigen Toleranz nicht überschritten wird.
Um eine Schraubverbindung mit einem kleinen Drehmoment anzuziehen, werden Drehschrauber und andere Werkzeuge verwendet . Bei diesen Schraubverbindungen kann das An¬ zugs-Drehmoment mittels eines Drehmomentenschlüssels eingestellt werden. Schraubverbindungen mit einem hohen Anzugs-Drehmoment können auf diese Weise nicht herge¬ stellt werden.
Um Schraubverbindungen mit einem hohen Anzugs-Drehmo¬ ment herzustellen, werden hydraulische Kraftschrauber verwendet. Solche Kraftschrauber (DE 41 11 631 AI) wei-
sen einen hin- und hergehenden Kolben auf, der ver¬ schiebbar in einem Zylinderraum eines Antriebsteils angeordnet ist. Dieser Kolben treibt über einen Rat¬ schenhebel ein Ringstück an, welches über eine Ein¬ steckwelle ein Drehmoment auf die Schraubverbindung überträgt. Durch den Ratschenhebel und hohe auf den Kolben wirkende Drücke lassen sich mit einem solchen hydraulischen Kraftschrauber Drehmomente sogar im Be¬ reich von 4500 Nm erzielen.
Die Einstellung eines Drehmoments erfolgt bei solchen hydraulischen Kraftschraubern bisher über die Einstel¬ lung des Drucks des Hydrauliköls, der auf den Arbeite- kolben des oszillierend angetriebenen Kraftschrauber wirkt. Der Druck des Hydrauliköls ist jedoch lediglich ein Maß für die Kraft, die unter einem wechselnden Winkel auf den Ratschenhebel des hydraulischen Kraft- schraubers ausgeübt wird. Das Anzugs-Drehmoment hängt jedoch nicht nur von dem Druck des Hydrauliklölε im Zylinderraum des Kraftschraubers ab, sondern auch von der Art der Abstützung des Kraftschraubers . Aus diesem Grund wurden bisher Tabellen verwendet, aus denen ein Anzug-Drehmoment bei gegebenem Hydraulikdruck und einer gegebenen Abstützgeometrie ersichtlich war. Da es je¬ doch unmöglich ist, für alle möglichen Abstützvarianten des hydraulischen Kraftschraubers im voraus Berech¬ nungen anzustellen und diese in einer Tabelle zu doku¬ mentieren, ist diese bekannte Methode der Ermittlung des Anzugs-Drehmoments nicht nur umständlich, sondern bei unbekannten Abstützverhältnissen auch ungenau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Einhalten eines vorgegebenen Anzugs-Drehmoments bei der Herstel¬ lung einer Schraubverbindung mit einem hydraulischen
Kraftschrauber, der von einem hin- und hergehenden Ar¬ beitskolben angetrieben ist, zu erleichtern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 8 bzw. 9.
Um das Messen eines Drehmoments oder das Erreichen eines vorgegebenen Anzugs-Drehmoments zu erleichtern, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, das Drehmoment nicht nachträglich oder indirekt zu bestimmen, sondern sofort und unmittelbar an der Schraube oder Mutter zu messen. Dazu ist an dem hydraulischen Kraftschrauber die Welle als Meßwelle mit einem der Werkzeugaufnähme- Vorrichtung benachbarten Meßabschnitt ausgebildet. Eine in diesem Meßabschnitt auftretende Torsion der Meßwelle wird von einem in dem Meßabschnitt angeordneten Tor¬ sionssensor erfaßt . Da die Torsion (Verwindung) ein Maß für das Drehmoment an dieser Stelle ist, kann mit der Meßwelle das Anzugs-Drehmoment direkt an der Schraub¬ verbindung ermittelt werden. Mit der Überwachung der Torsion bzw. des Drehmoments läßt sich dann das Anzugs- Drehmoment sicher einhalten.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich da¬ durch, daß die zur Bestimmung des Anzugs-Drehmoments erforderlichen Komponenten keinen Einfluß auf den Auf¬ bau des Kraftschraubers im übrigen, d.h. auf den Antriebs- und Funktionsteil, haben. Die Meßvorrichtung ist ausschließlich an oder in der Meßwelle angeordnet. Die Vorteile der Erfindung lassen sich also auch mit einem alten hydraulischen Kraftschrauber erzielen, wenn dieser durch den Einsatz einer Meßwelle modifiziert worden ist. Dadurch, daß der hydraulische Kraftschrau¬ ber außer an der Meßwelle keine Modifikationen erfor-
dert , können in ihrer Technik ausgereifte Konstruktio¬ nen bekannter Kraftschrauber unverändert übernommen werden, wodurch eine hohe Betriebssicherheit gewähr¬ leistet wird.
Die Steckbarkeit der Welle bringt zudem den Vorteil, daß bei einer Beschädigung des Meßabschnitts oder des Torsionssensors durch einfaches Auswechseln der Me߬ welle eine schnelle Reparatur des hydraulischen Kraft- schraubers möglich ist. Außerdem erleichtert die Steck¬ barkeit der Meßwelle die Kalibrierung des Torsionssen¬ sors bei herausgenommener Meßwelle.
Um die Betriebssicherheit zu erhöhen, weist der Tor¬ sionssensor vorzugsweise einen Signalausgang auf, der an dem der Werkzeugaufnahmevorrichtung gegenüberliegen¬ den Ende der Welle angeordnet ist. Bei einer solchen Ausgestaltung liegt das Gehäuse des hydraulischen Kraftschraubers zwischen dem Signalausgang und der Werkzeugaufnahmevorrichtung und schirmt dadurch den Signalausgang ab. Darüber hinaus bleibt bei einer solchen Ausgestaltung der hydraulische Kraftschrauber im Bereich des Werkzeugs frei von Anbauten, die unter Umständen die Ansetzbarkeit des hydraulischen Kraft- schraubers an einer Schraubverbindung behindern würden.
Vorzugsweise ist die Meßwelle so ausgestaltet, daß sämtliche zur Energie- und/oder Signalübertragung er¬ forderlichen Anschlüsse des Torsionssensors berührungs- los an die rotierende Welle bzw. den rotierenden Teil der Welle geführt sind. Zu Fehlern neigende Schleifkon¬ takte können dadurch vermieden werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der erfin-
dungsgemäße hydraulische Kraftschrauber zusammen mit einem hydraulischen Pumpenaggregat verwendet wird und eine Steuervorrichtung enthält, an der ein Soll-Moment einstellbar ist, wobei die Steuervorrichtung Signale des Torsionssensors der Meßwelle empfängt und die Zu¬ fuhr von Hydrauliköl zu dem Kraftschrauber bei Empfang eines dem Soll-Moment entsprechenden Signals unter¬ bricht. Da die Torsion (Verwindung) mit dem in dem Me߬ abschnitt herrschenden Drehmoment über bekannte Mate¬ rial- und Geometriegrößen gekoppelt ist, läßt sich aus der Torsion einerseits ohne Probleme das herrschende Drehmoment ermitteln und andererseits genauso einfach aus einem Soll-Moment eine Soll-Torsion. Dadurch, daß das hydraulische Pumpenaggregat die Druckmittelzufuhr bei Empfang eines den Sollmoment entsprechenden Signals automatisch unterbricht, wird ein Überziehen der Schraubverbindung sicher unterbunden, wobei insbesonde¬ re menschliches Versagen ausgeschlossen wird.
Durch die Steuerung des hydraulischen Pumpenaggregats über die Signale der Meßwelle kann darüber hinaus das Pumpenaggregat vereinfacht werden. An dem Pumpenaggre¬ gat können insbesondere ein Druckeinstellventil und ein Manometer eingespart werden. Das Pumpenaggregat braucht lediglich ein- und ausgeschaltet werden und kann dabei stets auf maximalen Druck eingestellt bleiben. Ledig¬ lich ein Überdruckventil ist noch aus Sicherheitsgrün¬ den erforderlich.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der hydraulische Kraftschrauber alternativ oder zusätzlich zu dem An¬ schluß an ein hydraulisches Pumpenaggregat an ein Auε- wertegerät anschließbar ist. Ein solches Auswertegerät, beispielsweise ein batteriestromversorgtes Momenten-
Anzeigegerät in Brusttaschenformat, oder ein Daten¬ verarbeitungssystem zur Montagekontrolle mit einem Me߬ protokolldrucker, erlauben es, die bei der Herstellung einer Schraubverbindung aufgebrachten Momente mit hoher Genauigkeit zu ermitteln und ggf. zu dokumentieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun¬ gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den Zeichnungen im Zusammenhang mit der Be¬ schreibung. In den Zeichnungen, die zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen, zeigen:
Fig. 1 einen hydraulischen Kraftschrauber gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Auswerteein¬ heit und einem hydraulischen Pumpenaggregat in explosionsartiger Darstellung,
Fig. 2 den hydraulischen Kraftschrauber in Fig. 1 in einer Seitenansicht in vereinfachter Darstel¬ lung,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Kraftschrauber in Fig. 2, und eine in den Kraftschrauber gesteckte Welle gemäß der Linie III-III in vereinfachter Darstellung, und
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Kraftschrauber gemäß einer zweiten Ausführungsform entsprechend der Darstellung in Fig. 3.
Der in den Fign. 1-3 gezeigte hydraulische Kraftschrau¬ ber 10 gemäß der ersten Ausführungsform weist ein ein¬ teiliges Gehäuse 12 auf, in welchem ein Antriebsteil 14 und ein Funktionsteil 16 enthalten sind. Der Antriebs-
teil 14 weist einen in einem Zylinderraum 18 axial ver¬ schiebbaren Kolben 20 auf, der über eine Kolbenstange 22 einen Ratschenhebel 24 antreibt. Der Ratschenhebel 24 weist ein federgespanntes Ratschenelement (nicht ge¬ zeigt) auf, das ein an dem dem Kolbenstangenanlenkende des Ratschenhebels 24 gegenüberliegenden Ende angeord¬ netes Ringstück 26 bei einem Arbeitshub des Kolbens 20 mitnimmt .
Das Ringstück 26 weist zur Aufnahme einer in den hy¬ draulischen Kraftschrauber 10 einsteckbaren Meßwelle 30 einen mit einer Innenverzahnung versehenen Einsteck¬ kanal 28 auf, welcher koaxial mit einer sich quer durch das Gehäuse 12 erstreckenden Einstecköffnung 28 für eine Meßwelle 30 verläuft.
Die Meßwelle 30 weist an ihrem einen Ende einen Vier¬ kant als Werkstückaufnahmevorrichtung 32 auf. Die Werk¬ zeugaufnahmevorrichtung 32 dient der Haltung einer auf¬ steckbaren Stecknuß (nicht gezeigt) . Um die Meßwelle 32 in dem Gehäuse 12 des hydraulischen Kraftschraubers 10 zu lagern, sind an der Meßwelle 30 ein erster Lagerab¬ schnitt 34 und ein zweiter Lagerabschnitt 36 ausgebil¬ det, die Teil einer Gleitlagerung für die Meßwelle 30 sind. Zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerab¬ schnitt 34,36 weist die Meßwelle 30 einen Verzahnungs¬ abschnitt 38 mit einer der Kerbverzahnung des Ring¬ stücks 26 komplementären Kerbverzahnung auf. Über die¬ sen Verzahnungsabschnitt 38 wird eine von dem Kolben 20 über die Kolbenstange 22 auf den Ratschenhebel 24 aus¬ geübte Kraft als Moment zu der Werkzeugaufnahmevorrich¬ tung 32 übertragen und von dort in eine anzuziehende Schraubverbindung übertragen.
Um das beim Anziehen der Schraubverbindung auftretende Anzugs-Drehmoment bestimmen zu können, weist die Me߬ welle 30 der Werkzeugaufnahmevorrichtung 32 unmittelbar benachbart einen Meßabschnitt 40 auf, in welchem zur Bestimmung der Verwindung der Meßwelle 30 als Torsions- sensor 41 mehrere Dehnungsmeßstreifen 42 (Fig. 3) ange¬ ordnet sind. Zur Aufnahme der Dehnungsmeßstreifen 42 weist die Meßwelle 30 eine flache Ringnut 44 auf, die sich anschließend an einen Meßwellenbund 46 zur Ab¬ stützung der Meßwelle 30 an dem Gehäuse 12 über nahezu die gesamte Länge des Meßabschnitts 40 erstreckt. Die Dehnungsmeßstreifen 42 sind zur Bestimmung des Dreh¬ moments unter 45° zur Längsachse der Meßwelle 30 in der Ringnut 44 auf die Meßwelle 30 geklebt und mit einer Siegelmasse 48 vergossen, so daß ein Ablösen der Deh¬ nungsmeßstreifen 42 aufgrund von Feuchtigkeit oder me¬ chanischen Umwelteinflüssen verhindert wird. Um die Dehnungsmeßstreifen 42 auch gegen Stöße zu sichern, ist eine die Ringnut vollständig überdeckende Hülse 50 vor¬ gesehen, die in radialer Richtung plan mit dem Me߬ wellenbund 46 abschließt.
Zur Signalübertragung von den Dehnungsmeßstreifen 42 zu dem der Werkzeugaufnahmevorrichtung 32 gegenüberliegen¬ den Ende der Meßwelle 30 sind in der Meßwelle 30 eine zentral angeordnete, in Achsrichtung verlaufende An¬ schlußbohrung 52 und eine sich von der Anschlußbohrung 52 schräg zu der Ringnut 44 erstreckende Verbindungs- bohrung 54 vorgesehen. Durch die Bohrungen 52,54 ver¬ läuft ein Anschlußkabel 56 zu einem in einem Stecker¬ aufnahmeraum 58 angeordneten elektronischen Verstärker¬ element 60. Das Verstärkerelement 60 ist als Platine an der Rückseite eines in die Meßwelle 30 eingesteckten oder eingeschraubten Konnektors 62 ausgebildet. An den
Konnektor 62, der als Stecker ausgebildet ist, ist ein mit einer Anschlußbuchse 64 (Fig. 1) versehenes An¬ schlußkabel 66 anschließbar, das zu einer mit einer Stromversorgung für den Torsionssensor 41 versehenen Auswerteeeinheit 68 führt. Zwar dreht sich der Konnek¬ tor 62 bei dieser Ausführungsform mit der Werkzeugauf¬ nahmevorrichtung 32 mit und verdrillt so das Anschlu߬ kabel 66; eine solche Verdrillung ist jedoch akzepta¬ bel, da im allgemeinen bis zum Erreichen des Anzugs- Drehmomentes nur wenige Umdrehungen der Meßwelle erfol¬ gen. Die einfache und robuste Ausgestaltung des An¬ schlusses ist dagegen eine großer Vorteil.
Um die durch das Gehäuse 12 des hydraulischen Kraft- schraubers 10 hindurchsteckbare Meßwelle 30 in dem Ge¬ häuse 12 gegen Herausfallen sichern zu können, ist eine Sicherungshülse 70 vorgesehen, die auf die Meßwelle 30 im Bereich des zweiten Lagerabschnitts 36 aufsteckbar ist und die Meßwelle 30 in dem Gehäuse 12 verriegelt.
Der hyraulische Kraftschrauber 110 gemäß der zweiten Ausführungsform (Fig. 4) unterscheidet sich von dem hydraulischen Kraftschrauber 10 gemäß der ersten Aus¬ führungsform lediglich hinsichtlich der Ausgestaltung der Meßwelle 130. Aus diesem Grund werden bei dem Kraftschrauber 110 gemäß der zweiten Ausführungsform Bezugszeichen verwendet, die gegenüber den Bezugs- zeichen bei dem Kraftschrauber 10 gemäß der ersten Aus¬ führungsform um "100" erhöht sind. Auf die Beschreibung dieser Teile im Zusammenhang mit der ersten Ausfüh¬ rungsform wird insoweit verwiesen.
Der hydraulische Kraftschrauber 110 gemäß der zweiten Ausführungsform hat gegenüber dem hydraulischen Kraft-
schrauber 10 gemäß der ersten Ausführungsform den Vor¬ teil, daß der Stecker 162 zum Anschluß der Meßwelle 130 an eine Auswerteeinheit gegenüber der Werkzeugaufnahme- Vorrichtung 132 frei drehbar ist, also beim Schrauben nicht mitdreht. Um diese Drehbarkeit zu gewährleisten, weist die Meßwelle 130 einen Trägervorsprung 180 auf, der an der der Werkzeugaufnahmevorrichtung 32 gegen¬ überliegenden Seite des Kraftschraubers 110 aus dem Gehäuse 112 herausragt und zur Lagerung einer Drehkappe 182 mit einer Lagervorrichtung bestückt ist. Vorzugs¬ weise besteht diese Lagervorrichtung aus zwei axial voneinander beabstandeten Kugellagern 184,186. Die Kugellager 184,186 gewährleisten eine freie Drehbarkeit der Drehkappe 182 um den Trägervorsprung 180.
Um den Torsionssensor 141 mit Energie zu versorgen, weist die Drehkappe 182 eine Elektronikeinheit 188 auf, die sich in einer sich koaxial zur Drehkappe 182 er¬ streckenden, von einer Behälterwandung 190 begrenzten Kammer 192 befindet. Die Behälterwandung 190 der Kammer 192 taucht in eine im Trägervorsprung 180 ausgebildete, koaxial zur Meßwelle 130 verlaufende Übertragungskammer 194 ein.
Die Elektronikeinheit 188, die von dem Konnektor 162 mit 9 V Gleichstrom versorgt wird, wandelt den Gleich¬ strom in Hochfrequenzenergie (60 kHz) um, die über eine Hochfrequenzleitung 196 einer ersten Spule 198 (Primär¬ spule) zugeführt wird. Die Primärspule 198 ist koaxial zu der Meßwelle in der Drehkappe 182 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Radial innerhalb der ersten Spule 198 (Primärspule) ist unter Freilassung eines Ringspalts eine zweite Spule 200 (Sekundärspule) vorge¬ sehen, die an eine Meßelektronik 202 angeschlossen ist
und zusammen mit der Primärspule 198 einen Transforma¬ tor bildet .
Die Meßelektronik 202 ist in einem Drehraum 204 ange¬ ordnet, der in axialer Richtung durch das Kugellager 184 und die Primär- und Sekundärspule 198,200 und in radialer Richtung durch den Trägervorsprung 180 sowie die Drehkappe 182 begrenzt wird. Um die Meßelektronik 202 bei abgenommener Drehkappe 182 vor Beschädigung zu schützen, ist ein ringförmiger Haltebecher 210 aus ama¬ gnetischem Material, z.B. Aluminium, vorgesehen, dessen innere radiale Wandung 206 zugleich das Kugellager 184 auf den Trägervorsprung 180 fixiert, als Auflagefläche für die Sekundärspule 200 fungiert und den Abstand zwi¬ schen dem ersten Kugellager 184 und dem zweiten Kugel¬ lager 186 definiert. Die dem Schutz der Meßelektronik 202 dienende Außenwandung 208 des Haltebechers 210 ist an der Innenwandung 206 über einen radialen Steg ange¬ schlossen. Der Haltebecher 210 ist vor seiner Montage in axialer Richtung einseitig offen, wobei die Meßelek¬ tronik 202 in dem Haltebecher 210 vorzugsweise ver¬ gossen ist .
Die Meßelektronik 202 versorgt einerseits die Dehnungs¬ meßstreifen 142 mit Energie und empfängt andererseits von den Dehnungsmeßstreifen 142 über eine Signalleitung 214 Meßsignale, die in ein hochfrequentes, frequenzmo¬ duliertes Signal umgewandelt werden und über eine Dio¬ denleitung 216 zu einem optischen Sender 218 (Infrarot- sender) übertragen werden. Der Sender 218 überträgt die frequenzmodulierten Signale, die bei einer Trägerfre¬ quenz von ca. 8 kHz +/- 2 kHz moduliert sind, zu einem Empfänger 220, der wie der Sender 218 auf der Achse der Meßwelle 130 angeordnet ist und sich am vorderen Ende
der an der Drehkappe 182 ausgebildeten Behälterwandung 190 befindet. Die von dem Empfänger 220 empfangenen Signale werden von der Elektronikeinheit 188 in der Drehkappe 182 aufbereitet und über den Konnektor 162 an eine Auswerteeinheit übertragen. Da sowohl die Signal- Übertragung als auch die Energieübertragung berührungs- los erfolgt, arbeitet der Hydraulikschrauber 110 gemäß der zweiten Ausführungsform zuverlässig, wobei insbe¬ sondere wegen der frequenzmodulierten Signalübertragung Übertragungsfehler ausgeschlossen werden können.
Der Durchmesser der in Fig. 4 gezeigten Drehkappe 182 ist kleiner als der der Innenverzahnung des Ringstücks. Daher kann die Meßwelle 130 durch das Gehäuse 112 des Kraftschraubers hindurchgesteckt werden. Die Meßwelle kann aber auch teilbar ausgeführt werden, so daß eine Drehkappe bei einer solchen Ausführungsform erst nach Durchstecken des rotierenden Teils der Meßwelle durch das Gehäuse 112 auf den rotierenden Teil gesteckt wird. Vorzugsweise dient eine solche Drehkappe dann auch der axialen Fixierung der Meßwelle.
Der Betrieb der beiden beschriebenen Kraftschrauber 10,110 wird nachfolgend anhand des Kraftschraubers 10 der ersten Ausführungsform beschrieben. Kraftschrauber 10 werden dadurch zum Einsatz gebracht, daß zunächst nach dem Ansetzen einer Stecknuß der Kraftschrauber 10 an der Schraubverbindung angesetzt wird. Anschließend wird ein Stützfuß 72 des Kraftschraubers an dem Gehäuse 12 durch Verstellen in eine günstige Abstützposition gebracht. Durch Einschalten eines hydraulischen Pumpen¬ aggregats 74 wird der Kraftschrauber 10 anschließend über eine flexible Hydraulikleitung 76 mit Drucköl ver¬ sorgt. Die Druckölzufuhr bewirkt, daß die Meßwelle 30
gedreht wird und damit die Schraubverbindung anzieht. Das während dem Anziehen an der Schraubverbindung herr¬ schende Drehmoment kann an der Auswerteeinheit 68 abge¬ lesen werden. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit so ausgelegt, daß die Zufuhr von Hydrauliköl zu dem Kraft¬ schrauber 10 bei Empfang eines dem Soll-Moment ent¬ sprechenden Signals von dem Torsionssensor 41 automa¬ tisch unterbrochen wird.
Die Erfindung wurde vorstehend als hydraulischer Kraft¬ schrauber beschrieben. Die Erfindung wird aber auch verwirklicht, wenn eine Meßwelle wie vorstehend be¬ schrieben zum Einbau in einen handbetriebenen Kraftver¬ vielfältiger oder eine Ratsche vorbereitet wird oder in einen solchen Kraftvervielfältiger bzw. eine solche Ratsche eingebaut ist.